Optimierung
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engl: optimization Kategorie: 
Level 1 Theorie Methoden
Optimierung ist eine Verbesserung bis zu dem theoretisch möglichen Grenzwert. Allgemeine Informationen hierzu finden Sie zum Beispiel bei wikipedia:Optimierung
Im Bereich der CAE-Simulation ist damit die Verbesserung mit numerischen Methoden gemeint, die so weit ausgeführt wird wie vom Anwender für sinnvoll erachtet wird. Bei dieser Beurteilung wird der absehbare Nutzen und der numerische Aufwand gegeneinander abgewogen.
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Simulation
Sensitivitäts-Analyse
Mit einer Sensitivitäts-Analyse kann untersucht werden, welche Auswirkungen die Variation einzelner Parameter des Systems hat. Eine solche Sensitivitäts-Analyse wird als eine Folge einzelner (voneinander unabhängiger) Simulationen durchgeführt. Im Vergleich der Ergebnisse der einzelnen Varianten kann der Einfluss der Parameter beurteilt werden. Damit kann vor dem Start eines Optimierungsverfahrens geprüft werden, ob die gewählten Parameter tatsächlich wesentliche Einflüsse darstellen und ob zwischen deren oberer und unterer Schranke überhaupt ein Extremum zu erwarten ist.
Parameteroptimierung
Eine Parameteroptimierung ist eine automatisch ablaufende Folge von Varianten, die zielgerichtet modifiziert werden. Der Benutzer muss mindestens als Parameter festlegen:
- Designvariablen (d.h. die zu verändernden Parameter, meistens 2, oder 3 oder 10 oder bis zu 100),
- Zielfunktions-Parameter, die zu minimieren (z.B. Gewicht) oder zu maximieren (z.B. Eigenfrequenz) ist (ein Parameter oder eine Kombination von mehreren Parametern mit einer Gewichtung),
- in der Regel weitere Parameter, die als Nebenbedingungen festgelegt werden, z.B. Maximale Spannung.
Mit einer solchen Parameteroptimierung kann zum Beispiel die Dicke bei Schalen (dünnwandigen Bauteilen), der Querschnitt von Streben oder Trägern oder andere Bauteile gestaltet werden.
RDO-Optimierung, Toleranzanalyse
Durch eine RDO-Optimierung (Robust Design Optimization) bzw. Toleranzanalyse kann eine Parameter-Variation numerisch gesteuerte zu einem möglichst robusten Design des Bauteils geführt werden. Damit wird untersucht, inwieweit die Annahmen, Näherungen und Unschärfen des Simulationsverfahrens das Ergebnis beeinflussen.
Topologieoptimierung
Bei der Topologieoptimierung wird ermittelt, wo in einem Bauraum Material am nötigsten bzw. am entbehrlichsten ist.
- Gestaltoptimierung: während die ersten beiden Verfahren auf der Basis der Vernetzung arbeiten, erfordert die Gestaltoptimierung ein parametrisierbares Geometriemodell. Damit muss es dem Optimierer möglich sein,
- Preprozessor mit Geometrieerstellung/-bearbeitung und Vernetzung,
- FE-Berechnungsteil und
- Postprozessor zur Ergebnisauswertung anzusprechen.
Bi-direktionale Parameter-Verwendung
Bei engerer CAD-Integration können manche FEM-Programme auch das CAD-Programm oder –Modell direkt einbeziehen und dessen Parameter bi-direktional verändern.
Beispiel
In dem Fallbeispiel Brake-Squeal Analysis with ANSYS Mechanical and optiSLang ist eine Optimierung der Simulation des Bremsenquietschens vorgestellt. Bei Fahrzeugen kann es vorkommen, dass die Bremsen bei der Betätigung quietschen, ein sehr störender Lärm. Ursache des Quietschens ist eine Schwingung der Bremsscheibe, die durch den Bremsbelag und die Reibung zwischen beiden Bauteilen angeregt wird. Die Berechnung erfolgt als dynamische Simulation der Strukturmechanik mit Kontakt und anderen Nichtlinearitäten. In einer Optimierung werden einige Größen in dieser Berechnung variiert mit dem Ziel, durch geeignete Änderungen die Bremse möglichst robust zu konstruieren.
Sonstige Begriffe
Die Optimierung ist eine der Methoden, um eine möglichst hohe Effizienz der Simulation zu erreichen.
