Multidisciplinary analysis and optimization: theory, implementation and application

Pallas, Dimitrios; Πάλλας, Δημήτριος

dc.contributor.author	Pallas, Dimitrios	en
dc.contributor.author	Πάλλας, Δημήτριος	el
dc.date.accessioned	2025-02-18T11:04:56Z
dc.date.available	2025-02-18T11:04:56Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/61127
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.28823
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	MDAO	en
dc.subject	Coupled adjoint	en
dc.subject	Computational fluid dynamics	en
dc.subject	Finite-element analysis	en
dc.subject	Optimization	en
dc.subject	Πεπλεγμένη συζυγής μέθοδος	el
dc.subject	Υπολογιστική ρευστοδυναμική	el
dc.subject	Ανάλυση πεπερασμένων στοιχείων	el
dc.subject	Βελτιστοποίηση	el
dc.subject	Πολυτομεακή ανάλυση και βελτιστοποίηση	el
dc.title	Multidisciplinary analysis and optimization: theory, implementation and application	en
dc.title	Πολυτομεακή ανάλυση και βελτιστοποίηση: θεωρία, υλοποίηση και εφαρμογές	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Βελτιστοποίηση	el
heal.classification	Μηχανολογία	el
heal.classification	Optimization	en
heal.classification	Υπολογιστική μηχανική	el
heal.classification	Computational engineering	en
heal.classification	Mechanical engineering	en
heal.language	el
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2024-10-09
heal.abstract	This diploma thesis is concerned with the theory and application of Multidisciplinary Analysis and Optimization (MDAO) methods, mainly in the area of PDE-constrained optimization. The vast growth of computational power in recent years has made numerical simulations an indispensable tool in engineering, enabling the analysis of ever more complex systems. In the context of engineering, these systems are often multidisciplinary, meaning that they require expertise from different scientific disciplines, which gives rise to the need for MDAO. The mathematical framework behind MDAO allows for efficient coupling of numerical models simulating different physical phenomena, with the aim of both analyzing and optimizing the system being modelled. In order to manage the complexities involved with MDAO, a software package is developed in Python. The package, named mSense, is used for the applications throughout the thesis. mSense provides tools for both Multidisciplinary Analysis (MDA) and Multidisciplinary Optimization (MDO), allowing the user to easily switch between different methods, selecting the one best-suited to each individual problem. An MDO problem can be formulated and solved in multiple ways, each defining a MDO different architecture. In mSense three different architectures are implemented: Multidisciplinary Feasible (MDF), Individual Discipline Feasible (IDF) and Collaborative Optimization (CO). The package is first used to validate and benchmark the performance of the implemented MDO architectures on standard test problems. The presented MDAO methodology is applied to two Fluid-Structure Interaction (FSI) problems. The first models an airfoil inside an inviscid flow field. The airfoil is attached to a torsional spring, and is therefore able to rotate. The system is analyzed with an MDA, and the equilibrium is found. Then the shape of the airfoil is optimized, using the MDF and IDF architectures, and comparing the results. The second problem is concerned with the flow of liquid through a vertical elastic tube. As the fluid flows through the tube, it deforms it. The aim of the optimization is to control the deformation of the tube, by manipulating the properties of the tube's elastic material. The MDF architecture is used. Finally, the problem of aerostructurally optimizing an aircraft wing is solved. The ONERA M6 wing, which is widely used as a benchmark for Computational Fluid Dynamics (CFD) codes, is considered. Since no structural model exists for the ONERA M6, a simple beam finite-element model for the bending of the wing is developed. The aerostructural model is analysed, computing the deformations and stresses that the wing undergoes during flight, and then optimized using MDF. Two different objective functions are used in the optimization, during which both the shape and structure of the wing are allowed to vary. The results obtained from the two objective functions are compared.	en
heal.abstract	Το θέμα αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι η θεωρία και η εφαρμογή των με- θόδων Πολυτομεακής Ανάλυσης και Βελτιστοποίησης (Multidisciplinary Analysis and Optimization, MDAO). Η ραγδαία αύξηση της υπολογιστικής ισχύος τα τελευταία χρόνια εχει καταστήσει τις αριθμητικές προσομοιώσεις ένα πολύτιμο εργαλείο στον τομέα της μηχανολογίας, καθώς επιτρέπει την ανάλυση ολοένα και πολυπλοκότερων συστημάτων. Τα συστήματα αυτά είναι συχνά πολυεπιστημονικά-πολυτομεακά, απαιτώντας τεχνογνωσία από διαφορετικά πεδία, το οποίο δημιουργεί την ανάγκη για μεθόδους MDAO. Το μαθηματικό υπόβαθρο πίσω από το MDAO επιτρέπει την αποτελεσματική σύζευξη αριθμητικών μοντέλων, καθένα από τα οποία προσομοιώνει ένα διαφορετικό φυσικό φαινόμενο, με σκοπό την ανάλυση και βελτιστοποίηση του υπό εξέταση συστήματος. Για τη διαχείριση της πολυπλοκότητας που σχετίζεται με το MDAO αναπτύσσεταιένα πακέτο λογισμικού στη γλώσσα προγραμματισμού Python. Το πακέτο, ονόματι mSense, χρησιμοποιείται για τις εφαρμογές της εργασίας. Περιλαμβάνει εργαλεία τόσο για πολυτομεακή ανάλυση (Multidisciplinary Analysis, MDA), όσο και βελτιστοποίηση (Multidiscplinary Optimization, MDO), επιτρέποντας στο χρήστη να επιλέξει τη μέθοδο που εφαρμόζεται καλύτερα στο εκάστοτε πρόβλημα. ΄Ενα πρόβλημα MDO μπορεί να επιλυθεί με πολλαπλές προσεγγίσεις, και κάθε μία αποτελεί μία διαφορετική αρχιτεκτονική MDO. Στο mSense υλοποιούνται τρεις διαφορετικές αρχιτεκτονικές, που είναι: η Multidisciplinary Feasible (MDF), η Individual Discipline Feasible (IDF) και η Collaborative Optimization (CO). Το πακέτο χρησιμοποιείται αρχικά για να επικυρώσει την υλοποίηση της κάθε αρχιτεκτονικής και να συγκρίνει την επίδοσή τους, σε δύο πρότυπα προβλήματα MDO. Η μεθοδολογία MDAO εφαρμόζεται έπειτα σε δύο προβλήματα αλληλεπίδρασης ρευστού-στερεού (Fluid-Structure Interaction, FSI). Το πρώτο πρόβλημα μοντελοποιεί την συμπεριφορά μίας αεροτομής εντός ατριβούς πεδίου ροής. Η αεροτομή είναι προσδεμένη σε ένα στρεπτικό ελατήριο, γύρω από το οποίο μπορεί να στραφεί. Το σημείο ισορροπίας του συστήματος αεροτομή-ελατήριο υπολογίζεται μέσω πολυτο- μεακής ανάλυσης (MDA). Στη συνέχεια, το σχήμα της αεροτομής βελτιστοποιείται με χρήση των αρχιτεκτονικών MDF και IDF, και τα αποτελέσματα συγκρίνονται. Αντικείμενο του δεύτερου προβλήματος είναι η ροή ρευστού σε κάθετο ελαστικό σωλήνα. Σκοπός της βελτιστοποίησης είναι ο έλεγχος της παραμόρφωσης του σωλήνα μέσω προσαρμογής των υλικών ιδιοτήτων του υλικού του σωλήνα. Χρησιμοποιείται η αρχιτεκτονική MDF. Το τελευταίο πρόβλημα που επιλύεται είναι η αεροδομική βελτιστοποίηση πτέρυγας αεροσκάφους. Επιλέγεται η πτέρυγα ONERA M6, η οποία χρησιμοποιείται συχνά για την επικύρωση κωδίκων υπολογιστικής ρευστοδυναμικής. Ωστόσο, για την πτέρυγα αυτή δεν υπάρχει έτοιμο δομικό μοντέλο, οπότε αναπτύσσεται ένα απλό μοντέλο πεπερασμένών στοιχείων με δοκούς, το οποίο μοντελοποιεί την κάμψη της πτέρυγας. Μέσω πολυτομεακής ανάλυσης (MDA), επιλύεται το αεροδομικό μοντέλο και υπολογίζονται οι παραμορφώσεις και τάσεις που αναπτύσσονται στην πτέρυγα κατά την πτήση. Ακολουθεί δομική βελτιστοποίηση και βελτιστοποίηση μορφής, με σκοπό την βελτίωση ορισμένων χαρακτηριστικών της πτερύγας. Δοκιμάζονται δύο διαφορετικές συναρτήσεις στόχου και συγκρίνονται.	el
heal.advisorName	Γιαννάκογλου, Κυριάκος	el
heal.advisorName	Giannakoglou, Kyriakos	en
heal.committeeMemberName	Αρετάκης, Νικόλαος	el
heal.committeeMemberName	Μαθιουδάκης, Κωνσταντίνος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Ρευστών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	131 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false