مهندسی ساخت و تولید ایران

مهندسی ساخت و تولید ایران

طراحی بهینه نامعین یک کپسول زیستی تحت عدم قطعیت‌های تلرانس‏های هندسی ساخت و مونتاژ

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
پژوهشگاه هوافضای وزارت عتف، تهران، ایران
10.22034/ijme.2025.536106.2111
چکیده
در این مقاله، یک روش طراحی بهینه نامعین برای کمینه‌سازی جرم کل یک کپسول فضایی بازگشتی تحت تأثیر عدم قطعیت‌های تلرانسهای هندسی ساخت و مونتاژ ارائه شده است. طراحی بهینه نامعین یعنی بهینه‌سازی طراحی با لحاظ کردن اثر عدم قطعیت‌ها، به‌طوری‌که طراحی نهایی مقاوم و پایدار باشد. رویکرد پیشنهادی مبتنی بر ترکیب طراحی بهینه چندهدفی و ارزیابی بهینگی نامعین واریانس‌محور میباشد. ابتدا نقطه بهینه اولیه با استفاده از الگوریتم ژنتیک در شرایط معین تعیین می‌شود. سپس، ارزیابی بهینگی نامعین این طراحی در برابر تغییرات احتمالی تحت تاثیر پارامترهای عدم قطعیت از طریق یک فرایند تکراری انجام می‌گردد. چنانچه طراحی به‌دست‌آمده معیارهای بهینگی نامعین را برآورده نکند، الگوریتم با تعدیل قیود طراحی و جست‌وجوی نقطه بهینه جدید، این فرایند را تا دستیابی به یک طراحی بهینه نامعین تکرار می‌کند. چارچوب طراحی بهینه چندموضوعی به روش همه در یک مرحله (AAO) پیاده‌سازی شده است. از نمونه‌برداری ابرمکعب لاتین (LHS) در فضای عدم قطعیت‌های هندسی استفاده شده و سطوح پاسخ توابع هدف و قیود استخراج گردیده است. سپس، با به‌کارگیری روش تحلیل واریانس، تأثیر عدم قطعیت‌های هندسی بر پاسخ‌های بهینه کمی‌سازی شده است. نتایج نشان می‌دهد که کپسول بهینه‌شده نامعین، 7/10 درصد سبک‌تر از طراحی پایه است، در حالی که حاشیه پایداری استاتیکی آن نیز بهبود یافته است. این کاهش جرم از طریق بازطراحی هوشمندانه شمایل آیرودینامیکی کپسول و حذف نیاز به جرم تعادلی محقق شده است. همچنین، ارزیابی بهینگی نامعین تأیید می‌کند که توابع بحرانی طراحی دارای حداقل حاشیه ایمنی ۲ سیگما در برابر عدم قطعیت‌های هندسی هستند که گواهی بر قابلیت اطمینان طرح پیشنهادی است.
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

Uncertain optimal design of a bio-capsule considering manufacturing and assembly tolerances uncertainty

نویسندگان English

Hassan Naseh
Hadiseh Karimaei
Mohammad Lesani Fadafan
Aerospace Research Institute of the Ministry of Science, Research and Technology, Tehran, Iran
چکیده English

This paper presents an uncertain optimal design methodology for minimizing the total mass of a re-entry space capsule, taking into account geometric manufacturing and assembly tolerance uncertainties. Uncertain optimal design refers to the process of optimizing a design while considering the effects of uncertainties, ensuring that the final solution is both robust and stable. The proposed approach integrates multi-objective optimization with variance-based robustness analysis. Initially, the optimal design point is determined under deterministic conditions using a genetic algorithm. Subsequently, the design's robustness against potential parameter variations is assessed through an iterative process. If the initial design does not satisfy the robustness criteria, the algorithm iteratively updates the design constraints to identify a new optimal point until a robust solution is achieved. The multi-objective optimization framework is implemented using the All-At-Once (AAO) approach, and Latin Hypercube Sampling (LHS) is employed to explore the geometric uncertainty space and construct response surfaces for objective functions and constraints. Variance analysis quantifies the influence of geometric uncertainties on the optimal responses. Results show that the robust optimized capsule is 10.7% lighter than the baseline design, while exhibiting improved static stability margins. This mass reduction is accomplished through intelligent aerodynamic reshaping and the elimination of the need for balancing mass. Robustness evaluation confirms that all critical design functions maintain a minimum 2σ safety margin against geometric uncertainties, validating the reliability of the proposed design. The methodology effectively balances mass minimization with stability requirements, demonstrating particular relevance for aerospace applications where both performance and safety are paramount.

کلیدواژه‌ها English

Uncertainty-Based Design Optimization, Bio-Capsule, Geometric Uncertainties, Variance-Based Robustness Analysis
[1] Allen JK, Seepersad CC, Choi H, Mistree F. Robust design for multiscale and multidisciplinary applications. Journal of Mechanical Design. 2006;128:832-843. doi: 10.1115/1.2202880
[2] Picheral L, Hadj-Hamou K, Bigeon J. Robust optimization based on the Propagation of Variance method for analytic design models. International Journal of Production Research. 2014 Dec 17;52(24):7324-38. doi: 10.1080/00207543.2014.926597
[3] Pagone E, Haddad Y, Barsotti L, Dini G, Salonitis K. A stochastic evaluation framework to improve the robustness of manufacturing systems. International Journal of Computer Integrated Manufacturing. 2023 Jul 3;36(7):966-84. doi: 10.1080/0951192X.2022.2162592
[4] Liu Y, Ju Y, Qin R, Jiang W, Spence S, Zhang C. Collaborative robust design optimization of blade geometry and manufacturing tolerance for a transonic centrifugal impeller. Journal of Turbomachinery. 2023 Jul 1;145(7):071001. doi: 10.1115/1.4056680
[5] Parashar S, Bloebaum C. Robust multi-objective genetic algorithm concurrent subspace optimization (R-MOGACSSO) for multidisciplinary design. 2006. doi: 10.2514/6.2006-2047
[6] Schuëller GI, Calvi A, Pellissetti MF, Pradlwarter HJ, Fransen SH, Kreis A. Uncertainty analysis of a large-scale satellite finite element model. Journal of Spacecraft and Rockets. 2009 Jan;46(1):191-202. doi: 10.2514/1.32205
[7] Lee D, Srinivas K, Gonzalez LF, Periaux J, Obayashi S. Robust multidisciplinary design optimisation using CFD and advanced evolutionary algorithms. In: Computational Fluid Dynamics Review 2010. 2010;469-491. doi: 10.1142/9789814313377_0019
[8] Minisci E, Vasile M, Liqiang H. Robust multi-fidelity design of a micro re-entry unmanned space vehicle. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part G: Journal of Aerospace Engineering. 2011 Nov;225(11):1195-209. doi: 10.1177/0954410011410124
[9] Xia T, Li M, Zhou J. A sequential robust optimization approach for multidisciplinary design optimization with uncertainty. Journal of Mechanical Design. 2016 Nov 1;138(11):111406. doi: 10.1115/1.4034113
[10] Jingjing ZH, Xiaojun WA, Yuwen LI, Ruixing WA, Zhiping QI. Six sigma robust design optimization for thermal protection system of hypersonic vehicles based on successive response surface method. Chinese Journal of Aeronautics. 2019 Sep 1;32(9):2095-108. doi: 10.1016/j.cja.2019.04.009
[11] Xiong N, Tao Y, Lin J, Liu XQ. Multi-levels Kriging surrogate model-based robust aerodynamics optimization design method. International Journal of Modern Physics B. 2020 Jun 30;34(14n16):2040115. doi: 10.1142/S0217979220401153
[12] Meibody MN, Naseh H, Ommi F. Developing a multi-objective multi-disciplinary robust design optimization framework. Scientia Iranica. 2021 Aug 1;28(4):2150-63. doi: 10.24200/sci.2021.55306.4159
[13] Alimohammadi HR, Naseh H, Ommi F. An integrated methodology applied for reliability based multi-disciplinary design optimization in EPFE with LOX/kerosene. Reliability Engineering & System Safety. 2023 Dec 1;240:109570. doi: 10.1016/j.ress.2023.109570
[14] Fathi Jegarkandi M, Mojibi M. Reliability-Based Multidisciplinary Design Optimization Under Uncertainty for Reusable Flexible Space Launcher utilizing NSGA-II. Sharif Journal of Mechanical Engineering. 2024 Jun 20;40(1):61-74. doi: 10.24200/j40.2023.61713.1667
[15] Yeo H, Lee M, Kim D, Kim KH. Multi-objective optimization design framework and flight performance prediction for reentry module using a rapid analysis program. International Journal of Aeronautical and Space Sciences. 2024 Oct 25;1-3. doi: 10.1007/s42405-024-00837-y
[16] Yang C, Wang Q, Lu W, Li Y. Integrated uncertain optimal design strategy for truss configuration and attitude–vibration control in rigid–flexible coupling structure with interval uncertainties. Nonlinear Dynamics. 2025 Feb;113(3):2215-2238. doi: 10.1007/s11071-024-10291-w
[17] Audouze C, Klein A, Butscher A, Morris N, Nair P, Yano M. Robust Level-Set-Based Topology Optimization Under Uncertainties Using Anchored ANOVA Petrov–Galerkin Method. SIAM/ASA Journal on Uncertainty Quantification. 2023 Sep 30;11(3):877-905. doi: 10.1137/22M1524722
[18] Most T, Will J. Robust design optimization in industrial virtual product development. In: Proceedings of the 5th International Conference on Reliable Engineering Computing. 2012;247-262. Brno, Czech Republic.
[19] Gramegna N, Corte ED, Poles S. Manufacturing process simulation for product design chain optimization. Materials and Manufacturing Processes. 2011 Apr 11;26(3):527-33. doi: 10.1080/10426914.2011.564248