Having reached a matured stage in shape design optimization for single disciplinary problems in both academic and industrial environments, the research community has paid great attention to multi-disciplinary optimization (MDO) for complex applications. Motivated by aerospace applications, this thesis targets specific class of MDO problems, namely node-based shape optimization in fluid-structure interaction. Herein, Vertex Morphing as a consistent surface control technique is used for node-based shape optimization. The suitability of this technique has been assessed and demonstrated for a wide range of engineering applications. Moreover, in this contribution, a consistent formulation is presented for the implementation of numerous point-wise no-penetration constraints over arbitrary surfaces which act as bounding surfaces, also known as packaging constraints. To verify the consistency of the derivations two applications of CFD shape optimization in the automotive industry are presented. Another main focus of this work is the consistent derivation of adjoint-based shape gradients of objective functionals involving fluid-structre interaction (FSI). The functionals may be defined on the deformed, undeformed or both configurations and shape design variables specify the undeformed geometry of the design surface, e.g the interface. For this purpose, all important aspects of the high-fidelity coupling between fluid and structure are covered, from solution strategy for direct and adjoint problems to criteria for mapping primal and adjoint fields between non-matching interface meshes. The novelty in this work is the consistent derivation of sets of adjoint coupling conditions which are immediately applicable to existing adjoint fluid and structure solvers. This is performed independent of the adjoint method, the discretization method, and the mathematical modelling of the flow. This enables us to take the utmost advantage of sophisticated single disciplinary adjoint solvers without the need to compute expensive cross-derivatives. In order to demonstrate the validity and generality of the derivations, three adjoint FSI frameworks are considered: FEM-based using discrete adjoints, hybrid FEM-FVM-based using discrete-continuous hybrid adjoints, and hybrid FEM-FVM-based using discrete adjoints. The first one is used for benchmarking, studying adjoint solution strategies, and for comparing alternative approaches in coupled shape sensitivity analysis including a fully monolithic formulation. Whereas, the third framework is used for shape sensitivity analysis of a representative aero-elastic wing based on the derived fully modular approach, which leverages primal and adjoint capabilities of available open-source codes. This analysis also includes a critical comparative assessment of consistent and conservative criteria for mapping primal and adjoint fields between non-matching interface meshes. Besides, special attention is paid to investigate the importance of considering the mesh motion problem in the adjoint FSI analysis.     «

Having reached a matured stage in shape design optimization for single disciplinary problems in both academic and industrial environments, the research community has paid great attention to multi-disciplinary optimization (MDO) for complex applications. Motivated by aerospace applications, this thesis targets specific class of MDO problems, namely node-based shape optimization in fluid-structure interaction. Herein, Vertex Morphing as a consistent surface control technique is used for node...     »

Nachdem die Forschungsgemeinschaft ein ausgereiftes Stadium der Formdesignoptimierung für einzelne disziplinäre Probleme im akademischen und industriellen Umfeld erreicht hat, hat sie der multidisziplinären Optimierung (MDO) für komplexe Anwendungen große Aufmerksamkeit gewidmet. Motiviert durch Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, zielt diese Arbeit auf eine bestimmte Klasse von MDO-Problemen ab, nämlich knotenbasierte Formoptimierung in der Fluid-Struktur-Interaktion. Dabei wird Vertex Morphing als konsistente Oberflächenkontrolltechnik zur knotenbasierten Formoptimierung eingesetzt. Die Eignung dieser Technik wurde für ein breites Spektrum von technischen Anwendungen bewertet und nachgewiesen. Darüber hinaus wird eine konsistente Formulierung für die Implementierung zahlreicher punktweiser, nicht durchdringender Beschränkungen über beliebige Oberflächen vorgestellt, die als begrenzende Oberflächen fungieren, auch bekannt als Bauraumbeschränkungen. Um die Konsistenz der Ableitungen zu überprüfen, werden zwei Anwendungen der CFD-Formoptimierung in der Automobilindustrie vorgestellt. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit ist die konsequente Ableitung adjuntbasierter Gradienten von kraftbasierten Zielfunktionen, die an der verformten Fluid-Struktur-Schnittstelle definiert sind, in Bezug auf die Formgestaltungsvariablen der unverformten Grenzflächengeometrie. Zu diesem Zweck werden alle wichtigen Aspekte der High-Fidelity-Kopplung zwischen Fluid und Struktur abgedeckt, von der Lösungsstrategie für direkte und adjungierte Probleme bis hin zu Kriterien für die Abbildung von Primär- und Adjunkfeldern zwischen nicht übereinstimmenden Interface-Netzen. Die Neuheit in dieser Arbeit ist die konsequente Ableitung von Sätzen von adjungierten Kopplungsbedingungen, die unmittelbar auf bestehende adjungierte Flüssigkeits- und Strukturlöser anwendbar sind. Dies geschieht unabhängig von der adjungierten Methode, der Diskretisierungsmethode und der mathematischen Modellierung der Strömung. Dies ermöglicht es uns, den größtmöglichen Nutzen aus den hochentwickelten einzelnen disziplinären Adjunklösern zu ziehen, ohne teure Crossderivate berechnen zu müssen. Um die Validität und Allgemeingültigkeit der Ableitungen zu demonstrieren, werden drei adjungierte FSI-Rahmen berücksichtigt: FEM-basiert unter Verwendung diskreter Adjoints, Hybrid-FEM-FVM-basiert unter Verwendung diskreter, kontinuierlicher Hybrid-Adjoints und Hybrid-FEM-FVM-basiert unter Verwendung diskreter Adjoints. Die erste wird für Benchmarking, das Studium von adjungierten Lösungsstrategien und für den Vergleich alternativer Ansätze in der gekoppelten Form-Sensitivitätsanalyse einschließlich einer vollständig monolithischen Formulierung verwendet. Während das dritte Framework für die Formsensitivitätsanalyse eines repräsentativen aeroelastischen Flügels verwendet wird, der auf dem abgeleiteten, vollständig modularen Ansatz basiert, der die ursprünglichen und adjungierten Fähigkeiten der verfügbaren Open-Source-Codes nutzt. Diese Analyse beinhaltet auch eine kritische vergleichende Bewertung konsistenter und konservativer Kriterien für die Zuordnung von Primär- und Adjunkfeldern zwischen nicht übereinstimmenden Interface-Netzen. Darüber hinaus wird besonderes Augenmerk darauf gelegt, die Bedeutung der Berücksichtigung des Mesh-Bewegungsproblems in der adjungierten FSI-Analyse zu untersuchen.     «

Nachdem die Forschungsgemeinschaft ein ausgereiftes Stadium der Formdesignoptimierung für einzelne disziplinäre Probleme im akademischen und industriellen Umfeld erreicht hat, hat sie der multidisziplinären Optimierung (MDO) für komplexe Anwendungen große Aufmerksamkeit gewidmet. Motiviert durch Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, zielt diese Arbeit auf eine bestimmte Klasse von MDO-Problemen ab, nämlich knotenbasierte Formoptimierung in der Fluid-Struktur-Interaktion. Dabei wird Vertex Mo...     »