Optimización de Composites mediante Algoritmos Genéticos

Reducción de peso en laminados mediante Algoritmos Genéticos y Elementos Finitos

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La reducción de peso de laminados de material compuesto tiene especial interés en diversas industrias, principalmente en la aeroespacial. En la siguiente figura podemos ver la evolución en los últimos años del tanto por ciento en peso de composite estructural en los diferentes modelos de Airbus.

Evolución del % en peso de composites

Evolución del % en peso de composites.

El diseño convencional de composites tiene ciertos inconvenientes derivados del alto número de parámetros del que depende:

  • Muy costoso en tiempo.
  • Las soluciones que obtenemos en la mayoría de los casos están alejadas de la solución óptima.
  • Explorar todo el dominio de soluciones es impracticable para un calculista asistido de un software de elementos finitos estándar.
  • Ocupa a personal muy cualificado en tareas repetitivas.

Hemos desarrollado nuestro propio algoritmo genético para la optimización en peso de laminados de material compuesto. El algoritmo nos permite obtener:

  • Soluciones óptimas. Ya que el algoritmo converge en probabilidad al óptimo: al aumentar el número de iteraciones o generaciones la probabilidad de obtener el óptimo tiende a uno.
  • Incremento de la productividad. De la tarea repetitiva se ocupa el programa, liberando al calculista de ella.
  • Reducciones importantes del coste de diseño.
  • Reducción de los plazos de entrega.

Partiendo de la geometría, de las cargas y de las condiciones de contorno el algoritmo genético devuelve la secuencia de apilado más ligera.

Ejemplo de secuencia de apilado.

Ejemplo de secuencia de apilado.

Los algoritmos genéticos se inspiran en la evolución biológica y de esa forman nos permiten copiar los mecánismos de diseño de la Naturaleza.

Hacen evolucionar un conjunto de soluciones o población a traves de una serie de iteraciones o generaciones. Esto se consigue mediante los siguientes mecanismos o principios biológicos:

Esquema de la evolución de los dinosaurios.

Esquema de la evolución de los dinosaurios.

  • Supervivencia del más fuerte.
  • Reproducción sexual o cruce.
  • Mutación genética.

El programa admite:

  • Cualquier geometría.
  • Cualquier conjunto de condiciones de contorno.
  • Cualquier estado de cargas.
  • Cálculo distribuido.
  • La incorporación de nuevas opciones personalizadas.

El algoritmo contempla las siguientes opciones:

  • Múltiples estados de carga.
  • Análisis estático.
  • Criterios de fallo.
  • Criterios en desplazamientos.
  • Frecuencia natural mínima (libre y pretensada).
  • Factor de carga máximo en pandeo lineal.
  • Coeficientes de seguridad.
  • Especificación de espesores de láminas y laminados permitidos.
  • Especificación de distintos materiales.
  • Orientación de fibras.
  • Reoptimización.
  • Diseño partiendo de cero.