실험계획법을 이용한 양식장용 알루미늄 소형 선박의 선체 구조설계 민감도 평가

이진선 국립목포대학교 산업기술대학원 2024 국내석사

양식장용 알루미늄 소형 선박산업 및 양식장 기자재 산업에서는 해상 양식장에서 육상양식으로 점차 변화해가는 추세이며 이를 기반으로 하는 스마트 양식산업의 변화는 이제 선택이 아닌 필수적인 요소로 다가오고 있다. 이러한 기술 개발을 위해서는 양식장 정보를 자동으로 추출할 수 있는 본 연구대상과 같은 무인 양식장 관리선이 개발되어야 한다. 일반적으로 인력이 승선해서 움직이는 선박과 다르게 무인 선박의 경우 정보 획득을 위한 많은 선박 기자재가 탑재되기에 하중에 대한 영향력을 많이 받는 특징이 있다. 이를 해결하기 위해서는 선박의 안전성을 확보하면서 최적의 설계를 통하여 선박의 무게를 줄이고, 민감도 해석을 통하여 부재별 선박의 안전성에 미치는 데이터를 도출해야 한다. 본 연구는 실험계획법을 통하여 유한요소법 기반으로 구조강도 성능 평가를 실시하고, 선체 구조의 방진 성능 검토를 위해 추진장치의 기진력을 분석한 후 유한요소법을 기반으로 선체 구조의 진동해석을 수행하였다. 새로운 형식의 알루미늄 소형 선박의 구조민감도 해석을 위해 주요 부재의 치수를 3수준 설계 인자로 고려하고 구조강도 평가 응력, 진동주파수 및 중량을 응답치로 설정하여 전인자 실험계획법, 직교 배열 실험계획법, 랜덤 실험계획법을 각각 적용하여 민감도 해석을 수행하였으며 민감도 해석을 통해 주요 부재별 응답치에 대한 정량적 영향도를 분석하였고, 실험계획법 상의 설계 행렬로부터 최소 중량 설계안을 제시하였다. The aluminum small ship industry for fish farms and the equipment industry for fish farms are gradually changing from marine farms to land farming, and the change in the smart aquaculture industry based on this is now approaching as an essential factor, not an option. For such technology development, an unmanned fish farm management ship such as this study subject that can automatically extract fish farm information should be developed. In general, unlike ships that move on board with personnel, unmanned ships are characterized by a lot of influence on loads because they are equipped with many ship equipment for information acquisition. To solve this problem, it is necessary to reduce the weight of the ship through optimal design while securing the safety of the ship, and to derive data that affect the safety of the ship by member through sensitivity analysis. This study conducted a structural strength performance evaluation based on the finite element method through the experimental planning method, analyzed the vibration force of the propulsion device to review the vibration performance of the hull structure, and performed vibration analysis of the hull structure based on the finite element method. For the structural sensitivity analysis of a new type of aluminum small ship, the dimensions of major members were considered as three-level design factors, and the structural strength evaluation stress, vibration frequency and weight were set as response values. Sensitivity analysis was performed by applying the all-factor experimental planning method, the orthogonal arrangement experimental planning method, and the random experimental planning method, respectively. Through sensitivity analysis, quantitative impact on response values for each major member was analyzed, and a minimum weight design plan was presented from the design matrix of the experimental planning method.

Design of dental implant fixture considering fastening and unfastening effects

손민석 Graduate School, Yonsei University 2015 국내석사

LCD TV stand의 구조 최적화에 관한 연구

김두리 고려대학교 대학원 2011 국내석사

LCD(Liquid Crystal Display) TV monitors have to be resistant against tripping under external load or tipping. Many of the stand type monitors are equipped with swivel mechanisms which induce rigid body tilt before base deformation and eventual trip. The major design parameters of the stand are identified and a finite element model representing the rigid body tilt and base deformation has been developed. Based on this model, sensitivity of trip stability on each of the parameters has been analyzed by Taguchi method to identify a few dominant parameters. An approximate expression for the stability index in terms of the dominant parameters has been derived by response surface methodology. This expression can be used to optimize design parameters without exhaustive finite element modeling and analyses. An example of optimization is presented.

Design sensitivity analysis and topology optimization of plane large deformation problems

박찬영 서울대학교 대학원 2006 국내석사

설계 민감도 해석에 의한 전기기기의 형상 최적 설계

고창섭 서울大學校 1992 국내박사

외연적 유한요소법에 기초한 민감도 해석을 이용한 하이드로포밍 성형공정 및 블랭크 형상 최적설계

양재봉 서울대학교 대학원 2001 국내박사

설계 민감도 해석과 형상 매개화를 이용한 전자소자의 3차원형상 최적 설계

유재섭 忠北大學校 2005 국내박사

순차적 실험계획법을 이용한 위상최적설계

송치오 연세대학교 대학원 2007 국내석사

본 연구는 실험계획법을 이용하여 위상최적설계를 구현하는 방법에 관한 것으로써,실험계획법에 의한 민감도 해석, 민감도 해석을 이용한 구조물의 위상최적설계 방법을 통하여 현재 필요하지만 적용이 어려운 위상최적설계의 한계를 극복하고자 한다.실험계획법은 광범위하게 누구나 쉽게 사용할 수 있는 장점이 있는 반면에 구조물의 설계에 적용하는 경우 설계변수의 제한과 교호작용의 고려 등의 어려운 점이 있다. 이는 결과값의 정확도를 떨어뜨리는 원인이 된다. 이에 본 연구에서는 순차적 실험계획법이라는 개념을 도입하여 설계의 정확도를 높이고자 하였다.순차적 실험계획법을 이용하여 구조물의 위상최적설계를 수행하였으며 각각의 단계에서 신뢰할 만한 법칙을 발견하고 이를 여러 다른 구조물에 적용하여 위상최적설계를 수행하였다.따라서 본 연구에서는 설계자가 위상 최적설계의 수학적 배경과 이론적 바탕을 충분히 숙지하지 못했더라도 간단한 유한요소 해석(finite element method) 과 민감도 해석(sensitivity analysis)을 이용한 위상최적화 방법을 제안하고자 한다본 연구에서 제안하는 위상최적화 방법을 통하여 기본적인 실험 계획법의 개념으로 여러 문제를 해결하는 것이 가능하다.

Analysis of vibration fatigue of linear elastic systems using measured acceleration responses

김찬중 서울대학교 대학원 2011 국내박사

Stochastic Design Sensitivity Analysis and Optimization of Functional Materials using Molecular Dynamics

김재현 서울대학교 대학원 2021 국내박사

Inverse design methods are a promising new strategy to aid the discovery of materials with targeted properties. Sensitivity analysis is needed in inverse approach to find correct direction for target properties. In order to obtain stable gradient from long time molecular dynamic simulation, A stochastic design sensitivity analysis of mechanical properties of functional materials is developed using the linear response theory and maximum likelihood method in machine learning. A direct sensitivity analysis in molecular dynamic simulation often don’t offer admissible gradient in long time simulation. Furthermore, sensitivity responses diverge exponentially over time with Lyapunov exponents. System can’t be predictable with change of initial condition or system parameters. As the system changes slightly, the probability distribution of particles converges stably over time although their trajectories gradually diverge. Linear response theory observes the probability variation with small change of Hamiltonian systems near thermodynamic equilibrium. We obtained the stochastic design sensitivity from linear response theory with variation of design parameters. Calculated sensitivity response deduced reasonable values compared with averaged FDM results even though long-time simulation. We verified the results applied to various system such as Orszag-McLaghlin model and Langevin model. In the other hand, machine learning technique can deal with inverse problem using maximum likelihood approach in MD system. Through generalization of maximum likelihood, identical results are obtained with linear response in case of design problem. In this study, we verified the stochastic design sensitivity applied to sodium chloride in water. Kirkwood-Buff theory(KBT) provides a direct connection between microscopic thermodynamic properties of isotropic liquid mixtures such as activity coefficient and experimental observations. On the other hand, Electrolyte ion potential in molecular dynamics is not uniquely determined. That should be changed whenever the temperature and concentration of the aqueous solution change. We verified the stochastic sensitivity of thermodynamic property with respect to ionic potential parameters with FDM. It presents the possibility of designing the potential to produce simulation results consistent with the experimental properties depending on the aqueous solution conditions. Successful sensitivity analysis and optimization ensures the possibility for designing nanomaterials in MD. We applied the sensitivity formula to design pair potential for self-assembly structure. We designed potential parameters in reciprocal space, the fluctuation or noise in potential during design update can be easily removed by penalizing high frequency region. In the other hand, Designing potential in reciprocal space and realization of potential in real space cause to Fourier transform and inverse Fourier transform at each design update step. Therefore, Gaussian potential which is lower bound of Heisenburg’s inequality is chosen for designing potential function form to minimize information loss through Fourier transform. The designed potentials assembled target structures stably by annealing simulation. We designed potential to self-assembly low-coordinated lattice structures such as kagome and honeycomb. 역설계방법(inverse design method)는 원하는 특성을 가지는 재료를 설계하기 위한 계산적 방법이다. 이를 위해서는 원하는 특성으로의 정확한 방향을 찾기 위한 민감도 해석이 필수적이다. 충분한 시간의 분자동역학 시뮬레이션 결과에 대한 안정적인 민감도 값을 도출하기 위해서 선형응답이론(linear response theory)과 머신러닝 기반의 최대가능도법(maximum likelihood method)에 기반하여 기계적 특성에 대한 통계적 설계민감도 해석법을 개발하였다. 분자동역학에서의 직접 설계민감도 해석은 충분히 긴 시간 동안의 해석에 대해서는 만족할 만한 민감도 값을 제공하지 못한다. 더욱이 민감도 값은 시간이 지남에 따라 라퓨노브(Lyapunov) 지수의 형태로 발산하는 경향성을 보인다. 이러한 현상의 원인은 분자동역학이 시스템 변수나 초기 조건의 변화가 주어졌을 때 입자의 궤적을 예측할 수 없는 카오틱(chaotic) 시스템이기 때문이다. 시스템의 미세한 변화가 발생하면 원래의 궤적과의 차이는 점점 발산함에도 불구하고 입자의 분포는 시간이 지남에 따라 오히려 안정되는 경향을 보인다. 선형응답이론은 열역학적 평형상태 근처의 헤밀토니안에 작은 변화가 생겼을 때 입자들의 위상공간에 대한 확률분포의 변화를 관찰한다. 본 연구에서는 설계 변수에 대해 선형응답이론을 적용하여 통계적 설계민감도를 계산했다. 긴 시뮬레이션 이후에 계산된 민감도가 유한차분법과 비교하여 정확한 일치율을 보인다는 것을 확인했다. 뿐만 아니라 간단한 오재그-맥러플린(Orszag-Mclaghlin)과 랑지벤(Langevin) 모델에서 결과를 검증하였다. 반면 머신러닝은 분자동역학에서 최대가능도법을 이용해 분자동역학의 역설계법에 적용할 수 있다. 최대가능도법을 일반화하여 설계문제에서 선형응답이론과 같은 결과를 얻을 수 있음을 확인하였다. 본 연구에서는 통계적 설계민감도 해석을 염화나트륨 수용액에 적용하였다. 컬크우드버프(Kirkwood-Buff)이론은 액체 혼합물의 미세한 열역학 특성과 실험결과 사이의 직접적인 연결고리를 제공한다. 동경분포함수와 국부적 밀도 변동을 분자동역학에서 쉽게 얻을 수 있기 때문에 활동도 계수 같은 열역학 특성들을 컬크우드버프이론으로 계산할 수 있다. 이러한 열역학 특성의 이온 포텐셜 파라미터에 대한 통계적 설게민감도를 계산하고 유한차분법과 비교하였다. 이를 통해서 다양한 수용액 조건에서 실험적 성질과 일치하는 이온의 포텐셜을 설계할 수 있는 가능성을 제시하였다. 성공적인 민감도 해석과 최적화 이론이 나노재료의 설계에 활용될 수 있다. 본 연구에서는 개발한 민감도 이론을 원하는 자가조립 구조를 만드는 포텐셜 설계에 활용하였다. 포텐셜의 설계가 진동수 영역에서 이루어져 포텐셜이 변화되면서 발생될 수 있는 노이즈를 높은 진동수영역을 억제함으로써 쉽게 제거할 수 있다. 반면 진동수영역에서 포텐셜이 설계되고 시뮬레이션은 실제영역에서 이루어지므로 디자인이 변경될때마다 푸리에 변환과 역푸리에변환이 반복된다. 변환과정에서의 포텐셜 정보의 손실을 최소화하기 위해 진동수 영역에서 불확정성 원리에서의 최소경계를 만족하도록 가우스 형태를 가지는 포텐셜을 채택하였다. 본 연구에서는 최적화 과정을 통해 카고메와 벌집구조 같은 다양한 격자 구조로 자가조립하는 포텐셜을 설계하였다. 설계된 포텐셜은 천천히 온도를 낮추는 시뮬레이션을 통해서 원하는 구조를 만들어낸다.