Modulbeschreibung

Titel Title	Computer Aided Optimization
Modulcode Module Code	CAO
Modulverantwortliche Responsible Members of Staff	Prof. Dr.-Ing. Olaf Frommann
Kompetenzziele des Moduls Module Competence Goals	Deutsch English Nach erfolgreichem Absolvieren des Moduls können die Studierenden ... Wissen und Verstehen Wissensverbreiterung, Wissensvertiefung, Wissensverständnis die grundlegenden Prinzipien der rechnergestützten Entwurfsautomatisierung und numerischen Produktoptimierung erläutern. die Rolle von Prozessketten, Datenaustausch und Automatisierung im technischen Entwurfsprozess beschreiben. mathematische Modelle, Entwurfsvariablen, Parametergrenzen, Nebenbedingungen und Zielfunktionen im Kontext technischer Optimierungsaufgaben einordnen. deterministische und stochastische numerische Optimierungsverfahren hinsichtlich ihrer Funktionsweise, Einsatzbereiche und Grenzen vergleichen. die Bedeutung von Mehrpunktentwürfen, multidisziplinärem Entwurf und konkurrierenden Entwurfszielen für komplexe technische Produkte erklären. Verfahren zur Approximation von Lösungsräumen sowie deren Nutzen für Analyse, Bewertung und Optimierung technischer Systeme erläutern. Einsatz, Anwendung und Erzeugung von Wissen Nutzung und Transfer, wissenschaftliche Innovation technische Produkte und Systeme für numerische Optimierungsaufgaben geeignet modellieren und parametrisieren. Entwurfsziele, Zielfunktionen und Nebenbedingungen für anwendungsorientierte Optimierungsaufgaben formulieren. geeignete Optimierungsstrategien für konkrete Problemstellungen auswählen und hinsichtlich Schrittweiten, Parametergrenzen und Abbruchkriterien anpassen. automatisierte Prozessketten für rechnergestützte Entwurfs- und Optimierungsaufgaben aufbauen und anwenden. Mehrpunktentwürfe und multidisziplinäre Optimierungsaufgaben rechnergestützt durchführen und auswerten. Optimierungsergebnisse analysieren, bewerten und im Hinblick auf technische Zielkonflikte und Produktanforderungen interpretieren. aktuelle wissenschaftliche Erkenntnisse, z. B. aus dem Profil- oder Tragflügelentwurf, auf forschungs- und anwendungsorientierte Optimierungsaufgaben übertragen. Kommunikation und Kooperation Optimierungsmodelle, Prozessketten, Entwurfsentscheidungen und Ergebnisse fachgerecht dokumentieren und präsentieren. Zielkonflikte, Lösungsstrategien und Optimierungsergebnisse mit Fachvertreterinnen und Fachvertretern sowie mit fachfremden Personen verständlich diskutieren. Wissenschaftliches Selbstverständnis oder Professionalität komplexe Entwurfs- und Optimierungsaufgaben weitgehend eigenständig strukturieren, bearbeiten und kritisch bewerten. die Aussagekraft numerischer Optimierungsergebnisse unter Berücksichtigung von Modellannahmen, Parametergrenzen, Lösungsräumen und algorithmischen Eigenschaften reflektieren. technische Entscheidungen im Optimierungsprozess unter Berücksichtigung von Effizienz, Qualität, Robustheit und konkurrierenden Anforderungen begründen. After successfully completing the module, students are able to ... Knowledge and Understanding Broadening and deepening of knowledge, understanding of knowledge explain the fundamental principles of computer-aided design automation and numerical product optimization. describe the role of process chains, data exchange, and automation in technical design processes. classify mathematical models, design variables, parameter limits, constraints, and objective functions in the context of technical optimization tasks. compare deterministic and stochastic numerical optimization methods with regard to their operating principles, fields of application, and limitations. explain the relevance of multi-point design, multidisciplinary design, and competing design objectives for complex technical products. explain methods for approximating design spaces and their use for analyzing, evaluating, and optimizing technical systems. Use, Application and Generation of Knowledge Application and transfer, scientific innovation model and parameterize technical products and systems appropriately for numerical optimization tasks. formulate design objectives, objective functions, and constraints for application-oriented optimization problems. select suitable optimization strategies for specific problems and adapt them with regard to step sizes, parameter limits, and termination criteria. build and apply automated process chains for computer-aided design and optimization tasks. perform and evaluate multi-point design and multidisciplinary optimization tasks using computer-based tools. analyze and assess optimization results and interpret them with regard to technical trade-offs and product requirements. transfer current scientific findings, for example from airfoil or wing profile design, to research-oriented and application-oriented optimization tasks. Communication and Cooperation document and present optimization models, process chains, design decisions, and results in a professional manner. discuss trade-offs, solution strategies, and optimization results clearly with both specialists and non-specialists. Scientific Self-Concept or Professionalism structure, conduct, and critically evaluate complex design and optimization tasks in a largely self-directed manner. reflect on the validity and significance of numerical optimization results considering model assumptions, parameter limits, design spaces, and algorithmic characteristics. justify technical decisions in the optimization process with regard to efficiency, quality, robustness, and competing requirements.
Lehrinhalte Content	Das Modul vermittelt ganzheitliche Kenntnisse über rechnergestützte Entwurfsautomatisierung und numerische Produktoptimierung. Die behandelten Methoden sind nicht auf eine einzelne technische Disziplin beschränkt, sondern können auf unterschiedliche ingenieurwissenschaftliche Fragestellungen übertragen werden. Im Mittelpunkt stehen die geeignete Modellierung und Parametrisierung technischer Produkte, die Formulierung von Entwurfszielen sowie die Auswahl und Anwendung geeigneter numerischer Optimierungsverfahren. Anhand praktischer Übungen am Rechner, beispielsweise zum Tragflügelprofilentwurf, werden Prozessketten aufgebaut und aktuelle forschungs- sowie anwendungsorientierte Problemstellungen bearbeitet. Einführung in die rechnergestützte Optimierung Bedeutung numerischer Optimierung im technischen Entwurf Effizienz- und Qualitätssteigerung durch Entwurfsautomatisierung Anwendungsfelder in unterschiedlichen technischen Disziplinen Entwurfssystematik Strukturierung technischer Entwurfsprozesse Formulierung von Anforderungen und Entwurfszielen Umgang mit Zielkonflikten und konkurrierenden Eigenschaften Mathematische Modellbildung Modellierung technischer Produkte und Systeme Parametrisierung von Geometrien, Produkten und Prozessen Entwurfsvariablen, Parametergrenzen und Nebenbedingungen Zielfunktionen und Bewertungsgrößen Prozessketten und Datenaustausch Aufbau automatisierter Entwurfs- und Optimierungsabläufe Kopplung von Softwarewerkzeugen Datenübergabe, Schnittstellen und Automatisierung Fehlerquellen und Qualitätssicherung in Prozessketten Mehrpunktentwürfe Optimierung unter mehreren Betriebs- oder Lastpunkten Bewertung technischer Systeme über unterschiedliche Einsatzbedingungen Robustheit und Praxistauglichkeit optimierter Entwürfe Multidisziplinärer Entwurf Kopplung verschiedener Fachdisziplinen im Entwurfsprozess Zielkonflikte zwischen disziplinären Eigenschaften Strategien für multidisziplinäre Optimierungsaufgaben Numerische Optimierungsverfahren Deterministische Optimierungsverfahren Stochastische Optimierungsverfahren Auswahl geeigneter Algorithmen für konkrete Aufgabenstellungen Schrittweiten, Parametergrenzen und Konvergenzverhalten Vergleich von Genauigkeit, Rechenaufwand und Robustheit Lösungsräume und Approximation Analyse von Entwurfs- und Lösungsräumen Approximation und Ersatzmodelle Sensitivitäten und Einflussgrößen Bewertung und Interpretation von Optimierungsergebnissen Einführung in CAO-Systeme Aufbau und Funktionsweise moderner CAO-Software Integration von Simulations-, Analyse- und Optimierungswerkzeugen Anwendung auf technische Entwurfsaufgaben Praktische Übungen am Rechner Aufbau automatisierter Prozessketten Durchführung von Mehrpunktentwürfen Bearbeitung multidisziplinärer Entwurfsaufgaben Formulierung und Bewertung von Zielfunktionen Numerische Optimierung technischer Produkte Tragflügelprofilentwurf als anwendungs- und forschungsnahes Beispiel The module provides comprehensive knowledge of computer-aided design automation and numerical product optimization. The methods covered are not limited to a specific engineering discipline but can be transferred to various engineering problems. The focus is on suitable modelling and parameterization of technical products, the formulation of design objectives, and the selection and application of appropriate numerical optimization methods. Practical computer-based exercises, for example in airfoil design, enable students to build process chains and work on current research-oriented and application-oriented problems. Introduction to computer-aided optimization Relevance of numerical optimization in technical design Increased efficiency and quality through design automation Fields of application in different engineering disciplines Design methodology Structuring technical design processes Formulation of requirements and design objectives Handling trade-offs and competing product characteristics Mathematical modelling Modelling of technical products and systems Parameterization of geometries, products, and processes Design variables, parameter limits, and constraints Objective functions and evaluation criteria Process chains and data exchange Development of automated design and optimization workflows Coupling of software tools Data transfer, interfaces, and automation Sources of error and quality assurance in process chains Multi-point design Optimization under multiple operating or load conditions Evaluation of technical systems across different operating conditions Robustness and practical applicability of optimized designs Multidisciplinary design Coupling of different engineering disciplines in the design process Trade-offs between discipline-specific properties Strategies for multidisciplinary optimization tasks Numerical optimization methods Deterministic optimization methods Stochastic optimization methods Selection of suitable algorithms for specific tasks Step sizes, parameter limits, and convergence behavior Comparison of accuracy, computational effort, and robustness Design spaces and approximation Analysis of design and solution spaces Approximation methods and surrogate models Sensitivities and influencing parameters Evaluation and interpretation of optimization results Introduction to CAO systems Structure and functionality of modern CAO software Integration of simulation, analysis, and optimization tools Application to technical design tasks Practical computer-based exercises Development of automated process chains Execution of multi-point designs Processing of multidisciplinary design tasks Formulation and assessment of objective functions Numerical optimization of technical products Airfoil design as an application-oriented and research-related example
Lehrende Lecturers	Prof. Dr.-Ing. Olaf Frommann
Lehr- und Lernmethoden Teaching Format	Seminaristischer Unterricht (SU)
Lernform Study Format	Präsenzstudium, angeleitetes Selbststudium
Prüfungsform Examination	Klausur nach Prüfungsordnung
Prüfungsdauer Test Duration	90 Minuten
Voraussetzungen für die Teilnahme Required Experience	Siehe aktuelle Prüfungsordnung
Verwendbarkeit Applicability	tbd
Studentische Arbeitsbelastung Hours	56 + 124
Präsenzstudium Contact Hours per week	56
Selbststudium Self Study Hours	124
ECTS-Leistungspunkte ECTS-Credits	6
Häufigkeit des Angebotes Frequency	1 Mal pro Studienjahr im 2. Semester / Wintersemester
Sprache Language	English
Bemerkungen Comments	CAO wird derzeit als Fach bundesweit nicht angeboten.
Literatur Literature	Die aktuellen Literaturlisten werden zu Beginn des Semesters verteilt.
Angebot Courses	Semester Studiengang SWS Form Gültigkeitsbeginn Gültigkeitsende Wahlpflicht 2 AT 4 Seminar 2013 2100 Wahlpflichtmodul 2 CBME 4 Seminar 2005 2012 Pflichtmodul 2 MM 4 Seminar 2013 2100 Wahlpflichtmodul

Zu jedem Modul (ausgenommen Sprachmodule und die Bachelorthesis) gehört in den Bachelorstudiengängen zusätzlich eine modulbezogene Übung im Umfang von 1 SWS.