Master's Thesis

Application of Topology Optimization and Generative Design for Component Weight Reduction

Final Thesis 5.13 MB

Author of thesis: Bc. Pavel Janderka

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Martin Slaný, Ph.D.

Reviewer: Ing. Oskar Zemčík, Ph.D.

Abstract:

This master's thesis focuses on an innovative approach to the structural design and optimization of highly stressed auxiliary components for the Bell UH-1Y Venom multi-role helicopter. The primary objective is to demonstrate a radical reduction in parasitic mass while maintaining or increasing dynamic stiffness through algorithmic design. The work describes the complete engineering cycle in detail. The starting point is the digitization of an existing duralumin optical sensor mount using 3D laser scanning and the creation of a parametric reference model. Subsequently, a comparative simulation analysis of three distinct optimization methods is conducted: conventional manual weight reduction (via milling), standard topology optimization (the SIMP method), and advanced AI-driven generative design. Based on this analysis, the most suitable variant is selected. The resulting design is a bionic strut structure optimized for additive manufacturing (Selective Laser Melting) using the AlSi10Mg alloy. This model demonstrated a significant weight reduction of 58% (384 g saved) compared to the solid duralumin original, while simultaneously increasing the first natural frequency from 47.3 Hz to 56.2 Hz. The thesis confirms that the integration of generative design and metal 3D printing represents a technologically and economically efficient strategy for modernizing aerospace technology and maximizing operational savings.

Keywords:

generative design, topology optimization, additive manufacturing, metal 3D printing, reverse engineering, Bell UH-1Y, weight reduction, aerospace industry

Date of defence

18.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaBznamka

Grading

B

Process of defence

Diplomant seznámil komisi s obsahem a výsledky své diplomové práce a zodpověděl otázky oponenta. V průběhu obhajoby byly položeny následující doplňující otázky: 1. Uvažoval jste v návrhu SLM technologii? zodpovězeno 2. Nahradil jste materiál, který je velmi odlišný od původního, proč je v materiálu 10% křemíku? nezodpovězeno

Language of thesis

Czech

Faculty

Fakulta strojního inženýrství

Department

Institute of Manufacturing Technology

Study programme

Manufacturing Technology (N-STG-K)

Specialization

Manufacturing Technology and Management in Industry (STM)

Composition of Committee

doc. Ing. Jan Zouhar, Ph.D. (předseda)
prof. Ing. Miroslav Zetek, Ph.D. (místopředseda)
prof. Dr. Ing. Antonín Kříž (člen)
doc. Ing. Josef Chladil, CSc. (člen)
Ing. Jiří Bejtkovský, Ph.D. (člen)
Ing. Janka Vydrová, Ph.D. (člen)
Ing. Jan Sedláček, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Martin Slaný, Ph.D.

Diplomová práce se zabývá využitím topologické optimalizace a generativního designu pro snížení hmotnosti konstrukční komponenty s aplikací v leteckém průmyslu. Zadání práce bylo splněno v plném rozsahu a svým charakterem patří mezi tematicky i odborně náročné práce.

Student k řešení přistupoval velmi aktivně a po celou dobu pravidelně konzultoval postup práce, a to jak prezenčně, tak i online formou. V průběhu řešení prokázal schopnost samostatného studia rozsáhlé problematiky, zejména v oblasti pokročilých simulačních metod a generativního navrhování. Zvládnutí práce v několika specializovaných softwarových nástrojích a jejich vzájemná integrace představují významný aspekt celé práce.

Velmi pozitivně hodnotím komplexní přístup k řešení, zahrnující celý inženýrský proces od digitalizace a tvorby CAD modelu až po simulační analýzy a optimalizaci návrhu. Oceňuji také systematické porovnání jednotlivých přístupů (konvenční úpravy, topologická optimalizace, generativní design), které jednoznačně dokládá přínos navrženého řešení.

Výsledky práce mají vysoký aplikační potenciál, což potvrzuje i výrazné snížení hmotnosti při současném zachování, resp. zlepšení mechanických vlastností navržené komponenty. Celkově práce působí koncepčně uceleně a na vysoké odborné úrovni. Se zpracováním práce i přístupem studenta jsem byl velmi spokojen. Práci doporučuji k obhajobě a hodnotím klasifikačním stupněm A.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Oskar Zemčík, Ph.D.

Diplomová práce se zabývá využitím topologické optimalizace a generativního designu při návrhu lehké konstrukce držáku optického senzoru vrtulníku UH-1Y Venom. Student provedl reverzní inženýrství původního dílu, vytvořil CAD modely, provedl MKP analýzy a porovnal několik variant konstrukční optimalizace včetně návrhu vhodného pro aditivní výrobu. Zadání bylo splněno v plném rozsahu a práce působí technicky ambiciózně.

Pozitivně hodnotím zejména praktické zaměření práce, samostatný přístup studenta a schopnost propojit CAD modelování, MKP simulace a moderní optimalizační metody. Přínosná je také snaha o ekonomické zhodnocení a aplikaci principů DfAM. Grafické zpracování je na dobré úrovni a výsledky jsou většinou prezentovány přehledně.

Práce však obsahuje i několik nedostatků. Chybí experimentální ověření výsledků a detailnější popis nastavení optimalizačních úloh. Některé závěry jsou interpretovány příliš optimisticky a místy působí spíše marketingově než akademicky. Problematická je také nekonzistentní interpretace některých MKP výsledků – například manuálně upravená varianta vykazuje současně nižší průhyb i výrazně nižší vlastní frekvenci, aniž by byl tento jev dostatečně vysvětlen. Ekonomické zhodnocení je založeno převážně na externí kalkulaci a používá velmi zjednodušený model úspor provozních nákladů. Přes uvedené výhrady práci doporučuji k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry B
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Topics for thesis defence:
  1. Byly MKP simulace prováděny na provozním zatížení 2,3 G nebo až na ultimate load po započtení bezpečnostního koeficientu 1,5? Jak byla hodnota zatížení stanovena?
  2. Jak by měla být správně provedena ekonomická kalkulace konvenčně vyráběného a SLM tištěného dílu včetně všech výrobních a certifikačních nákladů?
  3. Jak si autor vysvětluje, že manuálně upravená varianta vykazuje současně výrazně nižší vlastní frekvenci i nižší maximální průhyb? A proč topologicky optimalizovaná varianta vykazuje vyšší hmotnost a výrazně vyšší průhyb než manuálně upravený model?
  4. Bylo 3D skenování nezbytné i pro samotný držák, nebo především pro rekonstrukci okolní geometrie trupu a montážního prostoru a samotný držák by bylo jednodušší vymodelovat v CAD aplikaci přímo?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová