Новітні підходи та методи оптимального проєктування конструкцій (огляд)

Abstract

UK: Вирішення проблем сучасної інженерії, що пов’язані з безпекою та надійністю різноманітних споруд і систем, визначає актуальність теми. Для розвя’зання цих проблем потрібні інноваційні підходи для проєктування і розрахунку конструкцій. Оптимальне проєктування конструкцій є пошуком «золотої середини» в сучасному інженерному аналізі, що спрямоване на підвищення ефективності, безпеки та стійкості систем у різних галузях, включаючи цивільне будівництво, аерокосмічну та автомобільну промисловість. Новітні підходи трансформували методи оптимізації, перетворивши їх з суто теоретичних розрахунків на практичний інструмент завдяки значним досягненням в обчислювальних технологіях. Мета дослідження – розглянути ключові методології, такі як оптимізація розмірів, форм та топології, та сучасні обчислювальні підходи, включаючи методи, диференціальні рівняння, стохастичну оптимізацію та інтеграцію машинного навчання. Оцінити ефективність методів через можливість їх застосування. Методика. Аналіз сучасних напрямків оптимального проектування. Особливу увагу приділити застосуванню цих методів у динамічному проєктуванні та в умовах невизначеності, підкреслюючи їхню здатність вирішувати складні, багатовимірні проблеми. Результати. Виконано аналітичне дослідження сучасних методів оптимального проєктування. Огляд висвітлює напрямки розвитку оптимального проектування: стохастична, адаптивна, багатоцільова оптимізація, оптимізація при дії динамічних та сейсмічних навантажень; адитивне виробництво, що розширює межі можливого у проєктуванні конструкцій. Висвітлено поточні виклики, такі як потреба в інтерпретованих моделях штучного інтелекту та масштабованість цифрових двійників, а також намічені майбутні напрямки досліджень, спрямовані на подальше підвищення ефективності, надійності та екологічності оптимальних рішень.

EN: Addressing the challenges of modern engineering related to the safety and reliability of various structures and systems defines the relevance of this topic. Solving these challenges requires innovative approaches to the design and analysis of structures. Optimal design of structures represents a search for the “golden mean” in contemporary engineering analysis, aimed at improving efficiency, safety, and robustness across diverse fields, including civil engineering, aerospace, and the automotive industry. Recent advances have transformed optimization methods from purely theoretical constructs into practical tools, largely due to significant progress in computational technologies. Purpose. The objective is to review key methodologies – such as size, shape, and topology optimization – and modern computational approaches, including variational methods, differential equations, stochastic optimization, and the integration of machine learning, while assessing their effectiveness through potential applications. Methodology. The study involves an analytical review of current trends in structural optimization, with particular attention to their application in dynamic design and under uncertainty, emphasizing their ability to address complex, multidimensional problems. The results. An analytical investigation of contemporary methods of optimal design has been conducted. The review highlights major directions in the development of structural optimization: stochastic, adaptive, and multi-objective optimization; optimization under dynamic and seismic loads; and additive manufacturing, which expands the frontiers of structural design. Current challenges are outlined, including the need for interpretable artificial intelligence models and the scalability of digital twins, along with prospective research directions aimed at further enhancing the efficiency, reliability, and sustainability of optimal solutions.