Evolutionary Algorithms in Engineering Design Optimization

Evolutionary algorithms (EAs) are population-based global optimizers, which, due to their characteristics, have allowed us to solve, in a straightforward way, many real world optimization problems in the last three decades, particularly in engineering fields. Their main advantages are the following: they do not require any requisite to the objective/fitness evaluation function (continuity, derivability, convexity, etc.); they are not limited by the appearance of discrete and/or mixed variables or by the requirement of uncertainty quantification in the search. Moreover, they can deal with more than one objective function simultaneously through the use of evolutionary multi-objective optimization algorithms. This set of advantages, and the continuously increased computing capability of modern computers, has enhanced their application in research and industry. From the application point of view, in this Special Issue, all engineering fields are welcomed, such as aerospace and aeronautical, biomedical, civil, chemical and materials science, electronic and telecommunications, energy and electrical, manufacturing, logistics and transportation, mechanical, naval architecture, reliability, robotics, structural, etc. Within the EA field, the integration of innovative and improvement aspects in the algorithms for solving real world engineering design problems, in the abovementioned application fields, are welcomed and encouraged, such as the following: parallel EAs, surrogate modelling, hybridization with other optimization techniques, multi-objective and many-objective optimization, etc

Conformable light emitting modules

As we become increasingly aware that there is more to light than the image it forms on our retina, and as we become more environmentally aware, the value of non-image-forming light increases along with the need for various new light related appliances. In particular, some lighting related applications are emerging which demand conformability (flexibility and stretchability). Well-being, automotive or wearable electronic applications are just a few examples where these trends can be observed. We are finding that conformability could bring various benefits to both users (tactile and optical comfort, optical efficiency, multi-functionality, work/living space savings) as well as manufacturers (heterogeneous integration, light-weight, design freedom, differentiation and less stringent tolerancing). Developed by Ghent University, the SMI (Stretchable Molded Interconnect) technology attempts to address these demands and has been the main focus of this work. With the SMI technology it was possible to design highly conformable circuits using fabrication methods similar to these found in the PCB and FCB industries and standard off-the-shelf electronic components. The goal of this work was to characterize the technology materials in terms of mechanical, optical and reliability performance as well as define a set of design rules to support creation of robust and efficient light modules, also using a set of new, commercially available elastomeric, polymer materials. The developments are illustrated with demonstration devices

On-line quality control in polymer processing using hyperspectral imaging

L’industrie du plastique se tourne de plus en plus vers les matériaux composites afin d’économiser de la matière et/ou d’utiliser des matières premières à moindres coûts, tout en conservant de bonnes propriétés. L’impressionnante adaptabilité des matériaux composites provient du fait que le manufacturier peut modifier le choix des matériaux utilisés, la proportion selon laquelle ils sont mélangés, ainsi que la méthode de mise en œuvre utilisée. La principale difficulté associée au développement de ces matériaux est l’hétérogénéité de composition ou de structure, qui entraîne généralement des défaillances mécaniques. La qualité des prototypes est normalement mesurée en laboratoire, à partir de tests destructifs et de méthodes nécessitant la préparation des échantillons. La mesure en-ligne de la qualité permettrait une rétroaction quasi-immédiate sur les conditions d’opération des équipements, en plus d’être directement utilisable pour le contrôle de la qualité dans une situation de production industrielle. L’objectif de la recherche proposée consiste à développer un outil de contrôle de qualité pour la qualité des matériaux plastiques de tout genre. Quelques sondes de type proche infrarouge ou ultrasons existent présentement pour la mesure de la composition en-ligne, mais celles-ci ne fournissent qu’une valeur ponctuelle à chaque acquisition. Ce type de méthode est donc mal adapté pour identifier la distribution des caractéristiques de surface de la pièce (i.e. homogénéité, orientation, dispersion). Afin d’atteindre cet objectif, un système d’imagerie hyperspectrale est proposé. À l’aide de cet appareil, il est possible de balayer la surface de la pièce et d’obtenir une image hyperspectrale, c’est-à-dire une image formée de l’intensité lumineuse à des centaines de longueurs d’onde et ce, pour chaque pixel de l’image. L’application de méthodes chimiométriques permettent ensuite d’extraire les caractéristiques spatiales et spectrales de l’échantillon présentes dans ces images. Finalement, les méthodes de régression multivariée permettent d’établir un modèle liant les caractéristiques identifiées aux propriétés de la pièce. La construction d’un modèle mathématique forme donc l’outil d’analyse en-ligne de la qualité des pièces qui peut également prédire et optimiser les conditions de fabrication.The use of plastic composite materials has been increasing in recent years in order to reduce the amount of material used and/or use more economic materials, all of which without compromising the properties. The impressive adaptability of these composite materials comes from the fact that the manufacturer can choose the raw materials, the proportion in which they are blended as well as the processing conditions. However, these materials tend to suffer from heterogeneous compositions and structures, which lead to mechanical weaknesses. Product quality is generally measured in the laboratory, using destructive tests often requiring extensive sample preparation. On-line quality control would allow near-immediate feedback on the operating conditions and may be transferrable to an industrial production context. The proposed research consists of developing an on-line quality control tool adaptable to plastic materials of all types. A number of infrared and ultrasound probes presently exist for on-line composition estimation, but only provide single-point values at each acquisition. These methods are therefore less adapted for identifying the spatial distribution of a sample’s surface characteristics (e.g. homogeneity, orientation, dispersion). In order to achieve this objective, a hyperspectral imaging system is proposed. Using this tool, it is possible to scan the surface of a sample and obtain a hyperspectral image, that is to say an image in which each pixel captures the light intensity at hundreds of wavelengths. Chemometrics methods can then be applied to this image in order to extract the relevant spatial and spectral features. Finally, multivariate regression methods are used to build a model between these features and the properties of the sample. This mathematical model forms the backbone of an on-line quality assessment tool used to predict and optimize the operating conditions under which the samples are processed

Process simulation of wet compression moulding for continuous fibre-reinforced polymers

Interdisciplinary development approaches for system-efficient lightweight design unite a comprehensive understanding of materials, processes and methods. This applies particularly to continuous fibre-reinforced plastics (CoFRPs), which offer high weight-specific material properties and enable load path-optimised designs. This thesis is dedicated to understanding and modelling Wet Compression Moulding (WCM) to facilitate large-volume production of CoFRP structural components

Process simulation of wet compression moulding for continuous fibre-reinforced polymers

Interdisciplinary development approaches for system-efficient lightweight design unite a comprehensive understanding of materials, processes and methods. This applies particularly to continuous fibre-reinforced plastics (CoFRPs), which offer high weight-specific material properties and enable load path-optimised designs. This thesis is dedicated to understanding and modelling Wet Compression Moulding (WCM) to facilitate large-volume production of CoFRP structural components

Process simulation of wet compression moulding for continuous fibre-reinforced polymers

Entwicklungsansätze für den systemeffizienten Leichtbau vereinen Werkstoff-, Prozess- und Methodenverständnis. Dies gilt im Besonderen für endlosfaserverstärkte Kunststoffe (FVK), die hohe gewichtsspezifische Materialeigenschaften bieten und lastpfadoptimierte Konstruktionen ermöglichen. Diese Dissertation widmet sich dem Verständnis und der Modellierung der Nasspresstechnologie, um die Groß-serienproduktion von endlosfaserverstärkten Strukturbauteilen zu unterstützen. Nasspressen kombiniert gleichzeitiges Drapieren und Infiltrieren während der Verarbeitung, was vergleichsweise geringe Werkzeuginnendrücke (< 20 bar) und Zykluszeiten (< 3 min) ermöglicht. Der erste Teil dieser Arbeit (siehe Kapitel 2) fokussiert sich auf eine systematische Analyse der relevanten, physikalischen Prozessmechanismen. Versuche mit einem transparenten Werkzeug ermöglichen eine in-situ-Visualisierung des Fließfrontverlaufs während der Formgebung. Die Versuche verdeutlichen die starke Wechselwirkung zwischen Drapierung und Infiltration während der Verarbeitung. Diese Wechselwirkung wird durch herkömmliche, sequenzielle Modellierungsansätze nicht erfasst. Der zweite Teil (siehe Kapitel 3) widmet sich der Bewertung des Einflusses der niedrigviskosen Infiltration auf relevante Deformationsmechanismen. Hierzu werden neuartige und modifizierte Prüfstände verwendet, um das trockene und infiltrierte Membran-, Biege-, Kompaktierungs- und Kontaktverhalten zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Infiltration mit einer niedrigviskosen Matrix die Reibung zwischen und innerhalb der Rovings signifikant verringert, was direkt auch die Scherfestigkeit, Biegesteifigkeit und tangentiale Kontaktspannungen reduziert. Die verbesserte Drapierbarkeit ermöglicht komplexere Bauteilgeometrien. Jedoch induziert die Infiltration auch eine Ratenabhängigkeit, die die Umformbarkeit des Textiles bei höheren Viskositäten und Verarbeitungsgeschwindigkeiten gleichermaßen verschlechtern kann. Die Relevanz dieser experimentellen Erkenntnisse für die Prozessmodellierung werden anhand von Modellen bewertet und abschließend an einem komplexen Demonstrator validiert. Simulationen zeigen, die Infiltration sollte bei der Beschreibung des Membran- und Biegeverhaltens berücksichtigt werden. Die Kompaktierung ist zudem für eine genaue Vorhersage des lokalen Faservolumengehalts entscheidend. Demgegenüber ist eine herkömmliche Kontaktmodellierung zwischen Halbzeug und Werkzeug ausreichend, da nur relativ geringe Spannungen auftreten. Im dritten Teil dieser Arbeit (vgl. Kapitel 4) wird ein monolithischer Simulationsansatz für die kombinierte Textilumformung und Harzinfiltration entwickelt, der auf der Äquivalenz des Fourierschen Gesetzes für die Wärmeleitung und des Richardschen Gesetzes für die Durchströmung eines porösen Mediums beruht. Das Prozessmodell basiert auf überlagerten finiten Elementen zur Beschreibung der Einzelschicht. Die Verwendung von Kontinuumsschalen ermöglicht eine Berücksichtigung der Kompaktierung während der Umformung. Ein entwickeltes Fluid-Element (User-Element) beschreibt die dreidimensionale Harzausbreitung unter Berücksichtigung des aktuellen Verformungszustandes und der Faserorientierung. Auf diese Weise wird eine vollständig gekoppelte Analyse in \textsc{Abaqus} für eine gemeinsame explizit formulierte Lösung von Verformungs- und Druckfeld genutzt. Der experimentelle Vergleich zeigt eine gute Vorhersagegüte. Die inhärente Fluid-Struktur-Interaktion (FSI) im Nasspressen kann zu unerwünschten Prozessdefekten wie strömungsinduzierter Faserverschiebung (eng: FiFD) führen. Dies kann negative Auswirkungen auf Infiltration und strukturellen Eigenschaften des fertigen Bauteils haben. Im letzten Kapitel der Arbeit wird die numerische Vorhersage von FiFD untersucht (siehe Kapitel 5). Zu diesem Zweck wird ein beidseitige FSI implementiert und validiert. Ein Vergleich mit experimentellen Ergebnissen zeigt eine gute Vorhersagegüte von FiFD während der viskosen Kompaktierung. Die Erkenntnisse dieser Arbeit unterstützen eine frühzeitige zeit- und kosteneffiziente Prozess- und Produktgestaltung. Die Ergebnisse verdeutlichen die Anwendbarkeit und Validität der entwickelten Methoden. Sie zeigen aber gleichermaßen wichtige Forschungs- und Implementierungsfelder wie Wärmetransport und Aushärtung auf

Life cycle monitoring of composite aircraft components with structural health monitoring technologies

Life cycle monitoring could considerably improve the economy and sustainability of composite aircraft components. Knowledge about the quality of a component and its structural health allows thorough exploitation of it’s useful life and offers opportunity for optimization. Current life cycle monitoring efforts can be split in two main fields 1) process monitoring and 2) structural health monitoring with little overlap between them. This work aims to propose an integral monitoring approach, enabling entire life monitoring with the same sensor. First, the state of the art of both composite manufacturing as well as structural health monitoring technologies is presented. Piezoelectric sensors have been ruled out for further investigation due their brittleness. Fiber optical sensors and electrical property-based methods are further investigated. Distributed fiber optic sensors have been successfully used in composite manufacturing trials. Two processes were demonstrated: vacuum assisted resin transfer molding and resin infusion under flexible tooling. Due to their flexibility, optical fibers can survive the loads occurring during manufacturing and deliver valuable insights. It is shown for the first time numerically and experimentally, that fiber bed compaction levels and volume fractions can be calculated from the optical frequency shift measured by the optical fiber sensors. The same sensor was used for subsequent structural health monitoring. This proves that the gap between process monitoring and structural health monitoring can be closed with mutual benefits in both areas. The final chapter presents a novel electrical property-based sensing technique. The sensors are highly flexible and manufactured with a robot-based 3D-printing method. They are shown to reliably work as strain sensors and crack detectors. This work presents a thorough investigation of available and novel sensing technologies for process monitoring and structural health monitoring settings. The results obtained could pave the way to more efficient aircraft structures.Open Acces