비례하중변환법의 등가정하중을 이용한 비선형 응답 구조최적설계

권용덕(Yong-Deok Kwon),박기종(Ki-Jong Park),박경진(Gyung-Jin Park) 대한기계학회 2005 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2005 No.5

Proprotinal transformation of loads (PTL) is proposed to overcome the difficulties of the existing methods of nonlinear response structural optimization. PTL uses equivalent static loads. It is the same as the method of nonlinear response structural optimization using equivalent static loads by stiffness matrix in terms of calculating equivalent static loads. However, it is different in the way of calculating equivalent static loads. Linear and nonlinear responses are evaluated from linear and nonlinear analyses, respectively. For each response in the optimization formulation, the ratio of the two responses is calculated and an equivalent load is maden by multiplying the ratio and the loads for linear analysis. All the equivalent loads are used as multiple loading conditions during linear response optimization. The process iterates until it converges.

등가정하중을 이용한 스프링-댐퍼 제어시스템 구조물의 최적설계에 관한 기초연구

유남선(Nam-Sun Yoo),정의진(Ui-Jin Jung),박경진(Gyung-Jin Park),김태경(Tai-Kyung Kim) 대한기계학회 2014 大韓機械學會論文集A Vol.38 No.6

본 논문은 등가정하중을 이용하여 제어시스템을 포함한 구조물의 설계를 위한 최적화 방법을 제안한다. 지난 연구는 구조물과 제어시스템 최적설계를 독립적으로 분리하여 수행하였고, 구조물과 제어시스템을 동시에 최적화하여도 제어시스템의 제어변수는 정상상태에서만 최적화하여 성능을 향상시켰다. 하지만 제어변수는 모든 시간영역에서 최적화해야 한다. 즉, 제어시스템의 해석은 과도상태에서 수행해야 한다. 본 연구에서는 새로운 등가정하중을 이용하여 제어변수를 포함하는 제어시스템 구조물의 최적설계를 위한 방법을 제시하였다. 등가정하중은 동적하중이 구조물에 작용할 때 발생하는 임의 시간에서의 변위장과 동일한 변위장을 만들어내는 정하중을 의미한다. 이렇게 계산된 등가정하중을 이용하여 설계영역에서 선형정적응답 최적설계를 진행한다. 몇 가지 예제를 통해 새로운 등가정하중을 적용한 동적응답 최적설계방법의 유용성을 확인하였다. An optimization method is proposed for the simultaneous design of structural and control systems using the equivalent static loads. In the past researches, the control parameters of such feedback gains are obtained to improve some performance in the steady-state. However, the actuators which have position and velocity feedback gains should be designed to exhibit a good performance in the time domain. In other words, the system analysis should be conducted for the transient-state in dynamic manner. In this research, a new equivalent static loads method is presented to treat the control variables as the design variables. The equivalent static loads (ESLs) set is defined as a static load set which generates the same displacement field as that from dynamic loads at a certain time. The calculated sets of ESLs are applied as multiple loading conditions in the optimization process. Several examples are solved to validate the proposed method.

등가정하중을 이용한 축대칭 단조품의 형상최적화에 관한 기초연구

정의진(Ui-Jin Jung),이재준(Jae-Jun Lee),박경진(Gyung-Jin Park) 대한기계학회 2011 大韓機械學會論文集A Vol.35 No.1

본 논문은 등가정하중을 이용하여 단조공정의 예비성형체 및 빌렛의 형상설계를 위한 최적화방법을 제안한다. 단조공정에서 예비성형체의 형상은 최종 성형품의 품질을 결정하는데 중요한 역할을 한다. 본 연구는 빌렛 및 예비성형체의 형상을 설계하기 위하여 등가정하중법을 사용하였다. 등가정하중법은 비선형 동적하중을 등가정하중으로 변환하고 여기서 구한 등가정하중을 이용하여 선형응답 최적화를 수행하는 방법이다. 설계변수의 갱신은 선형 응답 최적화와 비선형 해석을 통하여 이루어진다. 본 논문에 포함된 예제는 원하는 단조품의 생산을 위한 최적의 예비성형체와 빌렛의 형상을 도출하여 제안한 방법의 유용성을 검증한다. 비선형 해석과 선형 응답 최적화는 각각 LSDYNA와 NASTRAN을 사용하였다. An optimization method is proposed for preform and billet shape designs in the forging process by using the Equivalent Static Loads (ESLs). The preform shape is an important factor in the forging process because the quality of the final forging is significantly influenced by it. The ESLSO is used to determine the shape of the preform. In the ESLSO, nonlinear dynamic loads are transformed to the ESLs and linear response optimization is performed using the ESLs. The design is updated in linear response optimization and nonlinear analysis is performed with the updated design. The examples in this paper show that optimization using the ESLs is useful and the design results are satisfactory. Consequently, the optimal preform and billet shapes which produce the desired final shape have been obtained. Nonlinear analysis and linear response optimization of the forging process are performed using the commercial software LS-DYNA and NASTRAN, respectively.

등가하중을 이용한 비선형 정적 응답 위상최적설계의 기초연구

이현아(Hyun-Ah Lee),Ahmad Zeshan,박경진(Gyung-Jin Park) 대한기계학회 2010 大韓機械學會論文集A Vol.34 No.12

실제 대부분의 공학 문제들은 크고 작은 비선형성을 내포한다. 구조물의 최적설계 과정에서는 다수의 구조물 사이에 발생하는 접촉이나 비선형 물성치를 가지는 재료, 또는 대변형을 고려해야만 한다. 그러나 민감도 계산이 고가이기 때문에 비선형성을 최적화에 고려하는 것은 매우 어렵다. 따라서 비선형 정적 반응 위상최적설계를 위하여 등가하중법을 사용한다. 등가하중이란 비선형 해석에서 유발되는 반응장과 동일한 반응장을 유발하는 선형 정적하중이다. 등가하중법은 치수/형상최적설계를 위하여 연구되어 왔다. 위상최적설계는 치수/형상최적설계에 비하여 설계변수가 많기 때문에 기존의 등가하중법을 그대로 적용할 수 없기 때문에 위상최적설계를 위하여 등가하중법을 확장하고 수정한다. 간단한 예제를 통하여 등가하중법을 이용한 위상최적설계 결과가 수치적으로 도출한 결과와 유사함을 보이고 실제 공학 예제의 위상최적설계를 통하여 기존의 선형 정적 위상최적설계와 결과를 비교한다. Most components in the real world show nonlinear response. The nonlinearity may arise because of contact between the parts, nonlinear material, or large deformation of the components. Structural optimization considering nonlinearities is fairly expensive because sensitivity information is difficult to calculate. To overcome this difficulty, the equivalent load method was proposed for nonlinear response optimization. This method was originally developed for size and shape optimization. In this study, the equivalent load method is modified to perform topology optimization considering all kinds of nonlinearities. Equivalent load is defined as the load for linear analysis that generates the same response field as that for nonlinear analysis. A simple example demonstrates that results of the topology optimization using equivalent load are very similar to the numerical results. Nonlinear response topology optimization is performed with a practical example and the results are compared with those of conventional linear response topology optimization.

등가정하중을 이용한 튜브 하이드로포밍 공정 최적설계에 관한 기초연구

장환학(Hwan-Hak Jang),박경진(Gyung-Jin Park),김태경(Tai-Kyung Kim) 대한기계학회 2015 大韓機械學會論文集A Vol.39 No.3

본 논문은 등가정하중을 이용하여 튜브 하이드로포밍 공정을 위한 최적설계를 제안한다. 튜브 하이드로포밍 공정의 최적설계는 유체의 압력과 축 방향 압입량에 대한 적절한 하중경로를 결정하고, 이를 통하여 성형해석 후 결함이 없는 원하는 형상의 제품을 얻는 것을 목적으로 한다. 그러나 기존의 등 가정하중법은 하중을 설계변수로 고려하지 못한다. 또한 튜브 하이드로포밍 공정의 최적설계에서 고려하는 비선형 두께 응답을 고려하기 위한 최적화가 필요하다. 따라서 본 연구에서는 튜브 하이드로포밍 공정의 최적설계에 적합한 새로운 등가정하중을 제시한다. 또한 새로운 등가정하중을 이용한 최적설계 프로세스를 제시한다. 제시한 최적설계방법의 사용 가능성은 예제를 통하여 확인한다. An optimization method for the tube hydroforming process is developed using the equivalent static loads method for non linear static response structural optimization (ESLSO). The aims of the tube hydroforming optimization are to determine the axial forces (axial feedings) and the internal pressures, and to obtain the desired shape without failures after hydroforming analysis. Therefore, the magnitude of the forces should be design variables in the optimization process. Also, some tube hydroforming optimization needs to consider the result of the thickness in nonlinear dynamic analysis as responses. However, the external forces are considered as constants and the thickness is not a response in the linear response optimization process of the original ESLSO. Thus, a new ESLSO process is proposed to overcome the difficulties and some examples are solved to validate the proposed method.

보행하중을 받는 건축물 바닥판의 진동해석을 위한 등가 보행하중의 적용

김기철,이동근 한국지진공학회 2001 한국지진공학회논문집 Vol.5 No.5

최근에 넓은 공간이 요구되는 건축물에서는 칸막이 벽과 같은 비구조재의 사용이 감소됨으로써 감쇠효과가 크게 줄어들고 있으며 고강도재료의 사용으로 바닥판 구조물이 유연화, 장경간화 되어가고 있다. 대형집회공간, 쇼핑몰, 사무실 등과 같이 장경간 건축물에서는 사람의 움직임에 의하여 과도한 진동이 발생할 수 있으며 이러한 진동은 건축물의 사용성을 크게 저하시키는 원인이 되고 있다. 바닥판 진동의 주요 진동원 중의 하나가 보행하중이다. 보행하중을 받는 구조물의 진동해석에 있어서 보행하중을 적용하는 일반적인 방법은 한 절점에 보행하중을 연속적으로 가하거나 주기하중으로 이상화된 동적하중을 가하는 것이다. 그러나 이러한 방법은 보행의 이동효과를 고려할 수 없다. 본 논문에서는 실제 바닥판 구조물의 고유진동수와 감쇠비를 평가하였으며 예제 구조물의 효율적인 진동해석을 위하여 보행하중을 적용하였다. Recently, the floor systems those require large open space may have low inherent damping due to the decline of the use of curtain walls. Furthermore, the use of the high strength materials has resulted in more flexible and longer spanning in floor systems. The long span structures such as shopping malls, offices and large assembly rooms may lead to significant dynamic response due to human activities. Excessive vibrations make the occupants uncomfortable and deteriorate the serviceability of buildings. It is now proved that footfall loading is the major source of floor vibrations. The common method of application of walking loads for the vibration analysis of structures subjected to walking loads is to inflict measured walking loads and periodic function at a node. But this method could not account for the moving effect of walking. In this study, natural frequency and damping ratio of example structure are evaluated by heel drop tests. And the application of equivalent walking loads is used for on efficient vibration analysis of the plate structures subjected to walking loads.

등가정하중법을 이용한 텔레비전 포장재의 구조최적설계

이영명(Youngmyung Lee),정의진(Ui-Jin Jung),박경진(Gyung-Jin Park),한인식(In-Sik Han),김태경(Tai-Kyung Kim) 대한기계학회 2015 大韓機械學會論文集A Vol.39 No.3

텔레비전의 운송 중 발생 가능한 낙하상황을 설정하고, 낙하충격으로부터 텔레비전을 보호할 수 있는 텔레비전 포장재의 최적설계를 수행하였다. 텔레비전 포장재의 최적설계는 등가정하중법을 이용하여 비선형동적응답 구조최적설계를 수행하였으며, 포장재의 최적설계 과정을 본 연구에서 제안하였다. 개념설계 단계에서 등가정하중법을 적용한 위상최적설계를 수행하였으며 상세설계 단계에서 가상모델을 사용한 응력등가정하중법을 이용하여 형상최적설계를 수행하였다. 응력등가정하중은 비선형동적응답 해석의 변위장뿐만 아니라 응력반응장과 동일한 선형해석반응장을 유발하는 선형정적하중이다. 즉, 비선형 동적응답 해석에서의 응력반응장을 구조최적설계에서 제한조건을 설정할 수 있는 것이다. 실제 예제를 통해 등가정하중법을 적용한 최적설계 과정의 유용성을 검증하였다. 텔레비전 포장재 낙하 테스트는 LS-DYNA 를 사용하였으며 구조최적설계는 NASTRAN 을 사용하였다. A nonlinear dynamic response structural optimization process is proposed for the television (TV) packing system that protects the damage from a drop situation using the equivalent static loads (ESLs). Topology optimization using ESLs is carried out for conceptual design, and shape optimization using stress ESLs for a virtual model is performed for detailed design. Stress ESLs are static loads that generate the same displacement as well as the stress fields of linear static analysis as those of nonlinear dynamic analysis. Thus, the response of nonlinear dynamic analysis can be utilized as a constraint in the linear static structural optimization. An actual example is solved to validate the process. The drop test of a television packaging system is analyzed by LS-DYNA, and NASTRAN is used for optimization.

동하중을 받는 구조물의 등가정하중 기반 구조최적화 연구

김현기(Hyun Gi Kim),김의영(Eui young Kim),조맹효(Maenghyo Cho) 한국소음진동공학회 2013 한국소음진동공학회 학술대회논문집 Vol.2013 No.10

Due to difficulty of considering dynamic load in side of a computer resource and computing time, it is common that external load is assumed as ideal static load. However, structural analysis under static load cannot guarantee the safety of structural design. Recently, the systematic method to construct equivalent static load from the given dynamic load has been proposed. Previous study has calculated equivalent static load through the optimization procedure under displacement constraints. And previously reported works to distribute equivalent static load were based on ad hoc methods. However, it is appropriate to take into account the stress constraint for the safety design. Moreover, the improper selection of loading position may results in unreliable structural design. The present study proposes the methodology to optimize an equivalent static which distributed on the primary DOFs, DOFs of the constraint elements, DOF of an external load as positions. In conclusion, the reliability of proposed method is demonstrated through a global optimization.

가상모델로부터 산출된 응력 등가정하중을 이용한 금속 성형품 및 단조품의 형상최적설계

장환학(Hwan Hak Jang),정성범(Seong Beom Jeong),박경진(Gyung Jin Park) 대한기계학회 2012 大韓機械學會論文集A Vol.36 No.11

본 논문은 응력 등가정하중을 이용하여 금속제조공정에서 원하는 성형품과 단조품의 최종형상을 얻기 위한 형상최적화 방법을 제안한다. 성형품의 최종형상은 블랭크의 형상에 따라 달라지고 단조품의 최종형상은 빌렛의 형상에 따라 달라진다. 따라서 원하는 형상의 제품을 얻기 위해 구조최적화방법 중형상최적화방법을 적용하였다. 금속성형 공정은 비선형 동적해석을 수행하므로 등가정하중법을 이용한다. 등가정하중법 중 가상모델을 이용한 응력 등가정하중은 등가정하중을 산출하는 새로운 방법으로 재료 특성의 가치를 재정의하여 응력 등가정하중을 계산한다. 본 논문에 포함된 예제를 통해 원하는 제품의 최종형상을 얻기 위한 최적의 블랭크 및 빌렛 형상을 도출하여 제안한 방법의 유용성을 검증한다. A shape optimization is proposed to obtain the desired final shape of forming and forging products in the manufacturing process. The final shape of a forming product depends on the shape parameters of the initial blank shape. The final shape of a forging product depends on the shape parameters of the billet shape. Shape optimization can be used to determine the shape of the blank and billet to obtain the appropriate final forming and forging products. The equivalent static loads method for non linear static response structural optimization (ESLSO) is used to perform metal forming and forging optimization since nonlinear dynamic analysis is required. Stress equivalent static loads (stress ESLs) are newly defined using a virtual model by redefining the value of the material properties. The examples in this paper show that optimization using the stress ESLs is quite useful and the final shapes of a forming and forging products are identical to the desired shapes.

풍력발전시스템의 기계적 하중 데이터 분석 프로그램 개발과 시뮬레이션 데이터 적용 사례

방제성(Je-Sung Bang),한정우(Jeong-Woo Han),길계환(Kyehwan Gil) 대한기계학회 2013 大韓機械學會論文集B Vol.37 No.8

형식인증시험을 통해 획득된 풍력발전기의 기계적 하중 데이터를 분석하기 위한 관련 프로그램개발과 절차가 수행되었다. IEC 61400-13 규격을 기반으로 하는 측정 데이터에 대한 검증, 하중유형에 따른 분류, 시계열 및 통계 데이터 분석, 파워 스펙트럼 밀도함수 및 피로하중 스펙트럼 계산, 등가하중 계산 등의 절차가 본 프로그램을 통해 수행되었다. 수집된 데이터들이 피로하중을 산정하기에 충분한가를 판단하기 위해 정상전력생산의 경우에 대한 수집행렬을 구성하였다. 50 개의 하중 범위 분할 개수를 사용하는 우수집계법을 통해 피로하중 스펙트럼이 얻어지며, 사용된 재료에 따라 다르게 S-N 선도의 기울기를 적용하여 최종적으로 등가하중을 산출하였다. 모노파일 하부구조를 가지는 NREL 5MW 풍력발전기의 공탄성 시뮬레이션 데이터에 이용하여 위의 전반적인 절차를 수행하였다. The procedures and relevant programs developed for analyzing mechanical load data of wind turbine generator systems, which are obtained through type certification tests, are verified. The following issues according to IEC 61400-13 are covered in the developed programs: data validation, time series analysis, summary load statistics, generation of fatigue load spectra, and estimation of equivalent loads. A capture matrix for normal power production is generated to determine whether the collected data sets are sufficient to carry out fatigue analysis. Fatigue load spectra are obtained through the rainflow counting method using 50 load ranges; finally, equivalent loads are calculated using different S-N curve slopes, m, according to the relevant materials. Case studies are performed using aero-elastic simulation data of the NREL 5 MW baseline wind turbine with a monopile foundation.