Optimization of a lattice structure via hybrid cellular automata

Crashworthiness design has become a fundamental aspect in some engineering areas because the safety of the people during a crash event is imposed as a primary requirement by the regulatory bodies, as in the case of the automotive industry. At the same time, the designed product is expected to possess certain levels of performance and, typically, to be built with the minimum possible mass. In order to deal with crashworthiness design, topology optimization is still being developed as an instrument for finding the best design for a certain application, which means a structure that is in compliance with all the (usually conflicting) requirements (including crashworthiness) and featuring the minimum mass. The optimization methods have to deal with the complexity of a crash simulation, consisting in the non-linearity of the phenomenon and in the need for contact algorithms, but the increase in the available computational power is helping to set up numerical simulations, which are more and more important in the industry, as substitutes of experimental testing. This research was conducted at the Department of Civil, Geo and Environmental Engineering of the Technical University of Munich, and it is about the crashworthiness optimization of the lattice core (made of beams) of a sandwich panel. The first part of this work is the construction of the finite element model of the structure with LS-DYNA. The second part consists of the use of an algorithm for Hybrid Cellular Automata (a method for topology optimization) to optimize the diameters of the beams of the core in order to meet the design constraint and to reduce the mass. The application of the algorithm was successful and it was possible to find some feasible designs with a mass below the initial one. In the end, the limitations of this algorithm are presented together with some possible improvements and future work.

La resistenza agli urti è diventata un aspetto fondamentale in alcune aree dell’ ingegneria perché la sicurezza delle persone durante un evento di impatto è imposta come un requisito primario dagli organi di regolamentazione, come nel caso dell’ industria automobilistica. Allo stesso tempo si vuole che l’oggetto progettato possegga certi livelli di prestazione e che, tipicamente, sia costruito con la minima massa possibile. Per affrontare la progettazione per la resistenza agli urti, l’ottimizzazione topologica è ancora in fase di sviluppo come strumento per trovare la migliore soluzione per una certa applicazione, il che vuol dire una struttura che rispetti tutti i (solitamente in conflitto) requisiti (inclusa la resistenza agli urti) e abbia la massa minima. I metodi di ottimizzazione devono misurarsi con la complessità della simulazione di un impatto, consistente nella non linearità del fenomeno e nella necessità di un algoritmo di contatto, ma l’aumento della capacità computazionale disponibile sta aiutando nel mettere a punto simulazioni numeriche, le quali sono sempre più importanti nell’ industria, come sostitute dei test sperimentali. Questa ricerca è stata condotta al Dipartimento di Ingegneria Civile, Geologica ed Ambientale dell’ Università Tecnica di Monaco di Baviera e riguarda l’ottimizzazione della resistenza agli urti del nucleo reticolare (composto da asticelle) di un pannello sandwich. La prima parte di questo lavoro consiste nella realizzazione del modello ad elementi finiti della struttura tramite LS-DYNA. La seconda parte riguarda l’uso di un algoritmo di Hybrid Cellular Automata (un metodo per l’ottimizzazione topologica) per ottimizzare il diametro delle asticelle del nucleo al fine di rispettare il vincolo di progetto e ridurre la massa. L’applicazione dell’ algoritmo ha avuto successo ed è stato possibile trovare alcuni design ammissibili con una massa minore di quella iniziale. Alla fine, vengono presentati i limiti di questo algoritmo insieme a possibili miglioramenti e sviluppi futuri.