La disciplina numerica dell’Ottimizzazione Strutturale permette di individuare in modo automatico (totalmente o parzialmente) la soluzione progettuale che fornisce le migliori prestazioni, in relazione ad un determinato obiettivo da raggiungere e a vincoli di progettazione assegnati, partendo a partire da un determinato volume di progetto e da condizioni al contorno date (carichi, vincoli).

Ad esempio, si può individuare la distribuzione di spessore di un componente stampato in plastica che permette di garantire il minor peso (obiettivo dell’ottimizzazione) nel rispetto di un requisito minimo di rigidezza alla flessione (vincolo).

In particolare, esistono tre specifici tipi di ottimizzazione strutturale, che possono combinarsi all’interno di un processo di ottimizzazione più complesso. Questi sono l’Ottimizzazione Parametrica, l’Ottimizzazione Topologica e l’Ottimizzazione di Forma.

Nel caso dell’Ottimizzazione Parametrica, vengono definite a priori dall’utente alcune grandezze (parametri) del modello di calcolo, alle quali viene tipicamente assegnato un range di validità tra un minimo e un massimo, su cui il software di ottimizzazione può agire per raggiungere l’obiettivo. Esempi classici di parametri di ottimizzazione sono lo spessore delle piastre (nei modelli FEM a elementi shell), il modulo elastico del materiale, la rigidezza di elementi di collegamento, ecc.
Un caso particolare di ottimizzazione parametrica è l’ottimizzazione a variabili discrete, in cui la soluzione ottimale viene ricercata non per valori qualsiasi dei parametri ma solo tra valori predefiniti. Ad esempio, si utilizza questo approccio per ottimizzare la sequenza di laminazione di un componente in materiale composito scegliendo esclusivamente tra angoli di laminazione di 0°, 30°, 45°, 60°, 90°, evitando così di ottenere laminazioni difficilmente eseguibili nella pratica costruttiva.

Nel caso dell’Ottimizzazione Topologica un algoritmo di ottimizzazione automatico è in grado di indicare al progettista qual è la conformazione ottimale di un componente per raggiungere l’obiettivo nel rispetto dei vincoli. La principale difficoltà insita in un procedimento di ottimizzazione topologica è l’ottenimento di geometrie effettivamente realizzabili, specialmente se la tecnologica produttiva del componente è già stata fissata. In tal senso è possibile inserire nella logica di ottimizzazione informazioni legate agli aspetti costruttivi, come ad esempio la direzione di estrusione se si tratta di un componente estruso, di stampaggio se si ha uno stampato, lo spessore minimo di cartella se si ha un particolare fuso o, di nuovo, stampato.

Nel caso dell’Ottimizzazione di Forma, si utilizzano tecniche di Mesh Morphing per modificare globalmente o localmente la mesh del modello analitico al fine di migliorarne le prestazioni desiderate in termini di rigidezza complessiva o resistenza locale. Questa tecnica richiede la preparazione di un modello di calcolo di riferimento, che prende il nome di disegno baseline da rendere successivamente parametrico attraverso l’applicazione del Morphing. Una volta definito lo scenario di modifiche geometriche e il loro campo di varianza, queste possono essere applicate simultaneamente al disegno baseline, al fine di determinare un disegno modificato del quale valutarne le prestazioni. Tipicamente questa tecnica si sposa con l’approccio di ottimizzazione denominato Design-of-Experiments (DoE), con il quale viene generato un numero limitato di modelli modificati. Attraverso la risposta dei modelli modificati (esperimenti) viene calcolata una Superficie di Risposta, funzione delle variabili geometriche del progetto, attraverso la quale viene determinato il Disegno Ottimale.