Progettazione ottimizzata di collettori oleodinamici: sviluppo di un algoritmo ibrido JADE–PBIL per la minimizzazione di massa e perdite di carico

The objective of this master's thesis is the development of a new approach for the design of manifolds for hydraulic applications, potentially extendable to other engineering fields as well. Specifically, an optimization algorithm has been developed in MATLAB environment capable of simultaneously reducing pressure losses, both distributed and localized, and the mass of material required for the manifold's construction. The proposed approach is based on optimizing the path connecting the manifold's inlet and outlet, avoiding internal obstacles and defining the duct's centerline. This formulation is particularly suitable for the use of additive manufacturing technologies, which allow greater geometric freedom compared to traditional production techniques. The problem has been formulated as a multi-objective optimization and solved through a hybrid meta-heuristic code based on two different approaches: JADE, a stochastic evolutionary algorithm, and PBIL, a probabilistic evolutionary algorithm. To encourage the search for the minimum, dynamic elitism has also been applied, useful for increasing evolutionary pressure. Through a Pareto archive, the non-dominated solutions obtained are collected and evaluated, then selecting the one considered as the best compromise. The results obtained demonstrate the validity of the proposed approach as a support tool for the design of manifolds optimized from both fluid-dynamic and structural perspectives, paving the way for future developments oriented towards automatic generation of the final geometry.

L’obiettivo di questa tesi magistrale è lo sviluppo di un nuovo approccio per la progettazione di manifold per applicazioni oleodinamiche, potenzialmente estendibile anche ad altri ambiti ingegneristici. In particolare, è stato sviluppato in ambiente MATLAB un algoritmo di ottimizzazione in grado di ridurre simultaneamente le perdite di carico, sia distribuite sia localizzate, e la massa di materiale necessaria alla realizzazione del collettore. L’approccio proposto si basa sull’ottimizzazione del percorso che connette inlet e outlet del manifold, evitando ostacoli interni e definendo la centerline del condotto. Tale impostazione risulta particolarmente adatta all’impiego di tecnologie di additive manufacturing, che consentono una maggiore libertà geometrica rispetto alle tecniche di produzione tradizionali. Il problema è stato formulato come un’ottimizzazione multi-obiettivo e risolto mediante un codice meta-euristico ibrido basato su due diversi approcci: JADE, un algoritmo stocastico evolutivo e PBIL, un algoritmo probabilistico evolutivo. Per incentivare la ricerca del minimo, è stato inoltre applicato un elitismo dinamico, utile a incrementare la pressione evolutiva. Tramite un archivio di Pareto, si raccolgono e si valutano le soluzioni non dominate ottenute, selezionando poi quella ritenuta come il migliore compromesso. I risultati ottenuti dimostrano la validità dell’approccio proposto come strumento di supporto alla progettazione di manifold ottimizzati dal punto di vista fluidodinamico e strutturale, aprendo la strada a futuri sviluppi orientati alla generazione automatica della geometria finale.