Multiaxial fatigue-based topology optimisation under non-proportional loading: application to wheel design
Deze thesis ontwikkelt een computationeel raamwerk voor structurele topologie-optimalisatie dat expliciet rekening houdt met multiaxiale vermoeiing onder niet-proportionele belastingen. Hoewel vermoeiing een veelvoorkomend faalmechanisme is in mechanische componenten, wordt het vaak behandeld als een nabewerkingsstap in plaats van als een integraal onderdeel van het ontwerpproces. Dit werk vult die leemte op door een kritieke-vlak vermoeiingsmodel rechtstreeks in het optimalisatie-algoritme te integreren.
Het raamwerk verwerkt het op rek gebaseerde Brown–Miller vermoeiingscriterium binnen een dichtheidsgebaseerde topologie-optimalisatiebenadering, waardoor vermoeiingslevensduur kan worden voorspeld bij complexe belastingstrajecten. De implementatie omvat een volledige analytische sensitiviteitsanalyse, zowel direct als adjoint, om een nauwkeurige en efficiënte optimalisatie met gradiënt-gebaseerde oplosmethodes te garanderen.
De methodologie wordt eerst gevalideerd op een L-beugel benchmark om de prestaties te demonstreren in vergelijking met doelstellingen gebaseerd op compliance en spanning. Vervolgens wordt ze toegepast op het ontwerp van een autowiel onderworpen aan een roterende buigproef. Dit is een gestandaardiseerde, multiaxiale en niet-proportionele vermoeiingsproef die elk aftermarket wiel moet doorstaan. De vermoeidheidsgeoptimaliseerde ontwerpen tonen een verbeterde verdeling van vermoeiingsschade, verminderde spanningsconcentraties en een verlengde voorspelde levensduur in vergelijking met andere ontwerpbenaderingen.
Door de voorspelling van de vermoeiingslevensduur in de optimalisatielus op te nemen, overbrugt dit onderzoek de kloof tussen structurele efficiëntie en langdurige duurzaamheid. De voorgestelde aanpak biedt een veelbelovend pad naar robuustere ontwerpen in veeleisende technische toepassingen.
----
This thesis develops a computational framework for structural topology optimisation
that explicitly accounts for multiaxial fatigue under non-proportional loading. While
fatigue is a frequently occurring failure mechanism in mechanical components, it is
often treated as a post-processing step rather than being integrated into the design
process. This work addresses that gap by embedding a critical-plane fatigue model
directly into the optimisation algorithm.
The framework incorporates the Brown–Miller strain-based fatigue criterion within a
density-based topology optimisation approach, enabling fatigue life prediction across
complex load paths. The implementation includes a full analytical sensitivity analysis,
both direct and adjoint, to ensure accurate and efficient optimisation with
gradient-based solvers.
The methodology is first validated on a benchmark L-bracket to demonstrate its
performance relative to compliance- and stress-based objectives. It is then applied
to the design of an automotive wheel subjected to a rotating bending test. This is
a standardised, multiaxial and non-proportional fatigue test that every aftermarket
wheel must pass. The fatigue-optimised designs exhibit improved fatigue damage
distribution, reduced stress concentrations and extended predicted fatigue life compared to different design approaches.
By embedding fatigue life prediction into the optimisation loop, this research bridges
the gap between structural efficiency and long-term durability. The proposed approach offers a promising pathway toward more resilient designs in demanding engineering applications.
Meer lezen
