ISO 18459:2015

Biomimetics — Biomimetic structural optimization

ISO 18459:2015 specifies the functions and scopes of biomimetic structural optimization methods. They consider linear structural problems under static and fatigue loads. The methods described in ISO 18459:2015 are illustrated by examples. The purpose of ISO 18459:2015 is to familiarize users with biomimetic optimization methods as effective tools for increasing the lifespan, reducing the weight of components, and promoting the widespread use of these methods in support of sustainable development. ISO 18459:2015 is intended primarily for designers, developers, engineers, and technicians, but also for all persons entrusted with the design and evaluation of load-bearing structures.

Biomimétique — Optimisation biomimétique

L'ISO 18459:2015 spécifie les fonctions et domaines d'application des méthodes d'optimisation biomimétique. Celles-ci portent sur des problèmes structuraux linéaires survenant sous des charges statiques et de fatigue. Les méthodes décrites dans la présente Norme internationale sont illustrées par des exemples. L'ISO 18459:2015 a pour objectif de familiariser les utilisateurs avec les méthodes d'optimisation biomimétique en tant qu'outils efficaces permettant d'allonger la durée de vie et de réduire le poids des composants tout en favorisant l'utilisation étendue de ces méthodes en soutien au développement durable. L'ISO 18459:2015 s'adresse en particulier aux concepteurs, développeurs, ingénieurs et techniciens, mais elle s'adresse également à toutes les personnes concernées par la conception et l'évaluation de structures porteuses.

General Information

• Status: Published
• Publication Date: 06-May-2015
• ICS: 07.080 - Biology. Botany. Zoology
• Technical Committee: ISO/TC 266 - Biomimetics
• Drafting Committee: ISO/TC 266 - Biomimetics
• Current Stage: 9093 - International Standard confirmed
• Start Date: 12-Jan-2021
• Completion Date: 19-Apr-2025

Standards Content (Sample)

INTERNATIONAL ISO
STANDARD 18459
First edition
2015-05-15
Biomimetics — Biomimetic
structural optimization
Biomimétisme — Optimisation biomimétique
Reference number
©
ISO 2015
© ISO 2015, Published in Switzerland
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written permission. Permission can be requested from either ISO at the address below or ISO’s member body in the country of
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Contents Page
Foreword .iv
Introduction .v
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions . 1
4 Symbols and abbreviated terms . 3
5 Principles of self-optimization in nature and hence transferred optimization methods .3
6 Application of methods . 5
6.1 Application range and limits . 5
6.2 Computer Aided Optimization (CAO) . 6
6.2.1 Stress-controlled growth . 6
6.2.2 Shrinking . 7
6.2.3 Finite elements in practical applications (FEA) . 8
6.3 Soft Kill Option (SKO) . 8
6.3.1 Principle of the SKO method . 8
6.3.2 Implementing the SKO principle in the finite element analysis . 9
6.3.3 Examples of applications of the SKO method .11
6.4 Computer Aided Internal Optimization (CAIO) .12
6.4.1 Example of the CAIO method: bent cylinder .13
6.5 Method of Tensile Triangles.14
6.5.1 General.14
6.5.2 Tensile triangles for saving material.15
6.5.3 Tensile triangles for optimization of fibre orientation .17
6.5.4 Example of the Method of Tensile Triangles: shoulder fillet .18
Bibliography .20
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards
bodies (ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out
through ISO technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical
committee has been established has the right to be represented on that committee. International
organizations, governmental and non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work.
ISO collaborates closely with the International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of
electrotechnical standardization.
The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are
described in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular the different approval criteria needed for the
different types of ISO documents should be noted. This document was drafted in accordance with the
editorial rules of the ISO/IEC Directives, Part 2 (see www.iso.org/directives).
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of
patent rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights. Details of
any patent rights identified during the development of the document will be in the Introduction and/or
on the ISO list of patent declarations received (see www.iso.org/patents).
Any trade name used in this document is information given for the convenience of users and does not
constitute an endorsement.
For an explanation on the meaning of ISO specific terms and expressions related to conformity
assessment, as well as information about ISO’s adherence to the WTO principles in the Technical Barriers
to Trade (TBT) see the following URL: Foreword - Supplementary information
The committee responsible for this document is ISO/TC 266, Biomimetics.
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Introduction
Biomimetic optimization methods are based on the knowledge gained from studying natural biological
structures and processes.
Structural optimization is a special branch of optimization dealing with the ideal design of components
while taking the current boundary conditions into account. Commonly optimized properties include
the weight, the load capacity, the stiffness, or the lifespan. The goal is to optimize one or more of these
properties by maximizing or minimizing their values.
Generally, the idea is to utilize the construction material as efficiently as possible while avoiding
overloaded and underloaded areas. Since almost every technical component for functional reasons
exhibits changes in section and, hence, notches, minimizing notch stress is especially important
in structural optimization. In classic structural optimization, the notch shape factor, i.e. the stress
concentration factor on the notch, is reduced by selecting the largest possible radius of curvature for
the notch or by utilizing the mutual interaction of notches and adding relief notches. The shapes of
the notches are not changed by this procedure. The use of other notch shapes (Baud curves, ellipses,
logarithmic spirals, etc.) was suggested as early as in the 1930s. But they are not widely applied in
technology and are only used occasionally.
Computer-based biomimetic optimization tools, such as Computer Aided Optimization (CAO) and the Soft
Kill Option (SKO), modify the shape and topology of the component, respectively, and thus homogenize
the stresses using the finite element analysis (FEA). Such tools have been available since 1990 and are
used in industry. The need to use FEA for optimization in this case limits the number of possible users,
though, because a powerful computer, special software, and an expert are needed for its operation.
The demand for even simpler and faster methods that cannot only be used by specialists to optimize
components, but also by design engineers, led to the development of the “Method of Tensile Triangles”.
Although development of this method began in 2006 only, it is already being used for verified applications
because it is easy to understand and apply. The wide range of applications of biomimetic optimization
methods together with the relative ease with which users are able to understand and apply the methods
enables users to perform component optimization early in the design process. In the case of the Tensile
Triangle Method, this is possible simply by implementing the method in CAD systems.
As every optimization means specialization for the selected cases of load, service loading can be well
known. Other unconsidered loading conditions might even result in higher stresses in a component.
INTERNATIONAL STANDARD ISO 18459:2015(E)
Biomimetics — Biomimetic structural optimization
1 Scope
The International Standard specifies the functions and scopes of biomimetic structural optimization
methods. They consider linear structural problems under static and fatigue loads. The methods
described in this International Standard are illustrated by examples.
Based on the biological model of natural growth and by use of the FEM optimization methods for
technical components, computer-based biomimetic optimization tools are described as Computer
Aided Optimization (CAO), Soft Kill Option (SKO), and Computer Aided Internal Optimization (CAIO).
The purpose of these methods is an optimal materials application for weight reduction or enhanced
capability and lifespan of the components.
Additionally, a simpler and faster “Method of Tensile Triangles” is described that can be used by every
design engineer. The wide range of applications of biomimetic optimization methods together with the
relative ease with which users are able to understand and apply the methods enables users to perform
component optimization early in the design process.
The purpose of this International Standard is to familiarize users with biomimetic optimization methods
as effective tools for increasing the lifespan, reducing the weight of components, and promoting the
widespread use of these methods in support of sustainable development.
This International Standard is intended primarily for designers, developers, engineers, and technicians,
but also for all persons entrusted with the design and evaluation of load-bearing structures.
2 Normative references
The following documents, in whole or in part, are normatively referenced in this document and are
indispensable for its application. For dated references, only the edition cited applies. For undated
references, the latest edition of the referenced document (including any amendments) applies.
ISO 18458, Biomimetics — Terminology, concepts and methodology
ISO 2394, General principles on reliability for structures
ISO 4866, Mechanical vibration and shock — Vibration of fixed structures — Guidelines for the measurement
of vibrations and evaluation of their effects on structures
ISO 13823, General principles on the design of structures for durability
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the following terms and definitions apply.
3.1
mechanical adaptive growth
appropriate reaction of biological structures, such as trees and bones, to changing conditions (e.g. mechanical
loads) by locally adding material to high-stress areas or removing material from low-stress areas
EXAMPLE Thicker annual rings.
3.2
algorithm
precisely described procedure to complete a task in a finite number of steps
3.3
design space
volume available for a component
Note 1 to entry: The edges of the component to be designed shall not extend beyond the limits of the design space.
3.4
Computer Aided Internal Optimization
CAIO
method based on the finite element analysis (3.6) for the optimization of the local fibre orientation in
fibre composites with the goal of increasing their load capacity
3.5
Computer Aided Optimization
CAO
method for optimizing the shapes of components based on the finite element analysis (3.6)
Note 1 to entry: The stresses in highly stressed areas, such as notches (3.8), are reduced and the component
lifespan is increased.
3.6
finite element analysis
FEA
numerical method for obtaining approximate solutions of partial differential equations subject to
boundary conditions
Note 1 to entry: In the engineering sciences, it is used as an analysis method, for example, to answer questions
relating to structural mechanics. With FEA, a complex structure is divided up using small, simple, and interlinked
elements (FEA mesh). When boundary conditions (loads, bearings, etc.) and material properties are defined, it is
possible to calculate stresses, deformations, etc. in any section of the complex structure.
3.7
shape optimization
modification of the surface of the component to modify a certain target function in a defined manner
(for example, to minimize stresses)
3.8
notch
concavities in components that weaken a component locally due to the notch effect (3.9)
Note 1 to entry: Such weak points are not desired in most cases, but notches are used as predetermined breaking
points in certain cases in order to sp
...

NORME ISO
INTERNATIONALE 18459
Première édition
2015-05-15
Biomimétisme — Optimisation
biomimétique
Biomimetics — Biomimetic structural optimization
Numéro de référence
©
ISO 2015
DOCUMENT PROTÉGÉ PAR COPYRIGHT
© ISO 2015, Publié en Suisse
Droits de reproduction réservés. Sauf indication contraire, aucune partie de cette publication ne peut être reproduite ni utilisée
sous quelque forme que ce soit et par aucun procédé, électronique ou mécanique, y compris la photocopie, l’affichage sur
l’internet ou sur un Intranet, sans autorisation écrite préalable. Les demandes d’autorisation peuvent être adressées à l’ISO à
l’adresse ci-après ou au comité membre de l’ISO dans le pays du demandeur.
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Sommaire Page
Avant-propos .iv
Introduction .v
1 Domaine d’application . 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions . 1
4 Symboles et abréviations . 3
5 Principes d’auto-optimisation dans la nature et méthodes d’optimisation
transférées en conséquence . 3
6 Application des méthodes . 6
6.1 Étendue et limites des applications . 6
6.2 Optimisation assistée par ordinateur (OAO) . 7
6.2.1 Croissance par contrôle des contraintes . 7
6.2.2 Rétrécissement . 8
6.2.3 Analyse par éléments finis (FEA) dans les applications pratiques . . 9
6.3 Méthode SKO (Soft Kill Option) . 9
6.3.1 Principe de la méthode SKO . 9
6.3.2 Mise en œuvre du principe SKO dans l’analyse par éléments finis .10
6.3.3 Exemples d’applications de la méthode SKO .12
6.4 Optimisation interne assistée par ordinateur (OIAO) .14
6.4.1 Exemple d’utilisation de la méthode OIAO : cylindre cintré .15
6.5 Méthode des triangles de traction .16
6.5.1 Généralités .16
6.5.2 Triangles de traction pour économiser du matériau .18
6.5.3 Triangles de traction pour l’optimisation de l’orientation des fibres .19
6.5.4 Exemple d’utilisation de la méthode des triangles de traction : congé de
raccordement d’épaulement .20
Bibliographie .22
Avant-propos
L’ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d’organismes
nationaux de normalisation (comités membres de l’ISO). L’élaboration des Normes internationales est
en général confiée aux comités techniques de l’ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude
a le droit de faire partie du comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales,
gouvernementales et non gouvernementales, en liaison avec l’ISO participent également aux travaux.
L’ISO collabore étroitement avec la Commission électrotechnique internationale (IEC) en ce qui concerne
la normalisation électrotechnique.
Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont
décrites dans les Directives ISO/IEC, Partie 1. Il convient, en particulier de prendre note des différents
critères d’approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document a été
rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/IEC, Partie 2 (voir www.
iso.org/directives).
L’attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l’objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L’ISO ne saurait être tenue pour responsable
de ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence. Les détails concernant les
références aux droits de propriété intellectuelle ou autres droits analogues identifiés lors de l’élaboration
du document sont indiqués dans l’Introduction et/ou dans la liste des déclarations de brevets reçues par
l’ISO (voir www.iso.org/brevets).
Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données
pour information, par souci de commodité, à l’intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un
engagement.
Pour une explication de la signification des termes et expressions spécifiques de l’ISO liés à l’évaluation
de la conformité, ou pour toute information au sujet de l’adhésion de l’ISO aux principes de l’OMC
concernant les obstacles techniques au commerce (OTC), voir le lien suivant : Avant-propos —
Informations supplémentaires.
Le comité chargé de l’élaboration du présent document est l’ISO/TC 266, Biomimétique.
iv © ISO 2015 – Tous droits réservés

Introduction
Les méthodes d’optimisation biomimétique sont basées sur les connaissances acquises grâce à l’étude
des structures et processus biologiques.
L’optimisation structurale est une branche particulière de l’optimisation, qui traite de la conception
théorique de composants tout en tenant compte des conditions limites actuelles. Les propriétés
couramment optimisées comprennent le poids, la capacité de charge, la rigidité ou la durée de vie. Le
but est d’optimiser une ou plusieurs de ces propriétés en augmentant au maximum ou en réduisant au
minimum leurs valeurs.
L’idée générale est d’utiliser aussi efficacement que possible le matériau tout en évitant les zones
excessivement chargées et les zones insuffisamment chargées. Sachant que, pour des raisons
fonctionnelles, les composants techniques présentent presque tous des variations de section, et donc des
entailles, la réduction de la contrainte à l’entaille est particulièrement importante dans l’optimisation
structurale. Dans le cadre d’une optimisation structurale classique, le facteur de forme de l’entaille,
c’est-à-dire le coefficient de concentration de contraintes sur l’entaille, est réduit en choisissant le plus
grand rayon de courbure possible pour l’entaille ou en utilisant l’interaction mutuelle des entailles
et en ajoutant les entailles de dégagement. Les formes des entailles ne sont pas modifiées par cette
procédure. L’utilisation d’autres formes d’entailles (courbes de Baud, ellipses, spirales logarithmiques,
etc.) a été suggérée dès les années 1930. Mais elles ne sont pas largement appliquées en technologie et
leur utilisation est sporadique.
Des outils informatiques d’optimisation biomimétique, tels que l’optimisation assistée par
ordinateur (OAO) et la méthode SKO (Soft Kill Option), modifient respectivement la forme et la topologie
du composant et homogénéisent ainsi les contraintes en utilisant l’analyse par éléments finis (AEF). De
tels outils sont disponibles depuis 1990 et sont utilisés dans l’industrie. La nécessité d’utiliser, dans ce
cas, l’analyse par éléments finis (AEF) pour l’optimisation, limiterait le nombre d’utilisateurs potentiels
car il faudrait pour cela un ordinateur puissant, un logiciel spécial et un expert pour les faire fonctionner.
Le besoin de disposer de méthodes plus simples et plus rapides, pouvant être utilisées non seulement
par des spécialistes pour optimiser les composants, mais également par des ingénieurs d’études, a
conduit à l’élaboration de la « méthode des triangles de traction » (Method of Tensile Triangles). Bien
que le développement de cette méthode n’ait commencé qu’en 2006, celle-ci est déjà utilisée pour des
applications reconnues car elle est facile à comprendre et à mettre en œuvre. La vaste étendue des
applications des méthodes d’optimisation biomimétique ainsi que la facilité relative avec laquelle les
utilisateurs sont capables de comprendre et d’appliquer les méthodes permet aux utilisateurs de procéder
à l’optimisation des composants très tôt dans le processus de conception. Dans le cas de la méthode des
triangles de traction, il suffit de mettre en œuvre la méthode dans des systèmes de conception assistée
par ordinateur (CAO).
Dans la mesure où chaque optimisation signifie une spécialisation pour les cas de charge sélectionnés,
les charges de service peuvent être bien connues. D’autres conditions de charge non prises en compte
peuvent même engendrer des contraintes plus élevées dans un composant.
NORME INTERNATIONALE ISO 18459:2015(F)
Biomimétisme — Optimisation biomimétique
1 Domaine d’application
La présente Norme internationale spécifie les fonctions et domaines d’application des méthodes
d’optimisation biomimétique. Celles-ci portent sur des problèmes structuraux linéaires survenant sous
des charges statiques et de fatigue. Les méthodes décrites dans la présente Norme internationale sont
illustrées par des exemples.
Fondés sur le modèle biologique de la croissance naturelle et utilisant des méthodes par éléments
finis (MEF) d’optimisation pour composants techniques, des outils informatiques d’optimisation
biomimétique sont décrits en tant qu’optimisation assistée par ordinateur (OAO), méthode SKO (Soft
Kill Option) et optimisation interne assistée par ordinateur (OIAO). Ces méthodes ont pour objectif une
application optimale dans le domaine des matériaux pour une réduction du poids ou une amélioration
de la capacité et de la durée de vie des composants.
En outre, une « méthode des triangles de traction » (Method of Tensile Triangles) plus simple et plus
rapide est décrite, celle-ci pouvant être utilisée par chaque ingénieur en conception. La vaste étendue
des applications des méthodes d’optimisation biomimétique ainsi que la facilité relative avec laquelle
les utilisateurs sont capables de comprendre et d’appliquer ces méthodes permet aux utilisateurs de
procéder à l’optimisation des composants très tôt dans le processus de conception.
La présente Norme internationale a pour objectif de familiariser les utilisateurs avec les méthodes
d’optimisation biomimétique en tant qu’outils efficaces permettant d’allonger la durée de vie et de
réduire le poids des composants tout en favorisant l’utilisation étendue de ces méthodes en soutien au
développement durable.
La présente Norme internationale s’adresse en particulier aux concepteurs, développeurs, ingénieurs
et techniciens, mais elle s’adresse également à toutes les personnes concernées par la conception et
l’évaluation de structures porteuses.
2 Références normatives
Les documents suivants, en totalité ou en partie, sont référencés de manière normative dans le présent
document et sont indispensables pour son application. Pour les références datées, seule l’édition citée
s’applique. Pour les références non datées, la dernière édition du document de référence s’applique (y
compris les éventuels amendements).
ISO 18458, Biomimétique — Terminologie, concepts et méthodologie
ISO 2394, Principes généraux de la fiabilité des constructions
ISO 4866, Vibrations et chocs mécaniques — Vibration des structures fixes — Lignes directrices pour le
mesurage des vibrations et l’évaluation de leurs effets sur les structures
ISO 13823, Principes généraux du calcul des constructions pour la durabilité
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions suivants s’appliquent.
3.1
croissance adaptative mécanique
réaction appropriée de structures biologiques, telles que des arbres et des os, à un changement de
conditions (par exemple, charges mécaniques) en ajoutant localement de la matière à des zones soumises
à des
...