구조 변형을 고려한 풍력 터빈 블레이드 단면의 공력 최적 설계

권형일,류동옥,유주열,권오준 한국항공우주학회 2011 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2011 No.11

본 연구에서는 고효율 풍력 발전 시스템 개발을 위하여 풍력 발전용 블레이드의 토크를 향상 시키도록 단면 최적 설계를 수행하였다. 특히 블레이드 주위의 공기역학적 특성이 만들어내는 탄성 구조 변형을 고려할 수 있도록 전산구조해석과 전산공력해석을 연계한 공력-구조 연계 해석을 수행하였다. 이 연계 해석 프로그램을 이용하여 구조 변형 정도와 내리씻김 효과를 예측하고 이를 바탕으로 설계 단면의 유동 조건을 산출하였다. 또한 설계 후에는 이 공력-구조 연계 해석 프로그램을 이용하여 최적 설계안에 대한 검증 해석을 수행하였다. 단면 최적 설계 프레임워크에는 천이 효과를 고려한 2차원 비압축성 N-S 해석 프로그램과 구배율 기반의 최적화 알고리즘, PARSEC 형상함수를 포함시켜, 반복 설계 과정에서 정확한 해석을 바탕으로 효율적으로 최적점의 탐색이 수행되도록 하였다. NREL Phase VI 로터 블레이드의 실험 데이터와의 비교를 통해 전산공력해석과 구조해석 결과에 대한 검증을 수행하였으며 동일한 블레이드와 NREL 5MW급 블레이드의 단면 최적 설계를 수행하였다. 설계 결과, NREL Phase VI와 5MW 블레이드의 토크 성능이 각각 14.8%, 4.2% 향상되었다. In this study, aerodynamic sectional design optimization for wind turbine rotor blades sections has been performed to design an efficient wind turbine blade. CFD/CSD coupled analysis was conducted to consider elastic structural deformation of rotor blades. Using that analysis, structural deformation and downwash effect by the flow around rotor blades were predicted to acquire accurate sectional design conditions. For the purpose of the efficient and desirable searching to the optimum, the design framework was carried out to include two-dimensional Navier-Stokes analysis with SST based transition model, gradient based optimization algorithm and PARSEC shape function were included in design framework. Validations of CFD/CSD coupled analysis has been reached by applying NREL Phase VI rotor blades. After that, sectional design optimizations of NREL Phase VI rotor blades and NREL 5MW rotor blades have been conducted. In result, torque performances of NREL Phase VI and 5MW rotor blades have been improved by 14.8% and 4.2% respectively.

이중 쐐기형 초음속 흡입구의 압력회복률에 대한 신뢰성 기반 최적설계

이창혁(Chang-Hyuck Lee),안중기(Joong-Ki Ahn),배효길(Hyo-Gil Bae),권장혁(Jang-Hyuk Kwon) 한국항공우주학회 2010 韓國航空宇宙學會誌 Vol.38 No.11

본 연구에서는 이중 쐐기형 초음속 흡입구의 압력회복률에 대한 신뢰성 최적설계를 수행하였다. 주어진 설계영역에서 다양한 설계변수의 불확실성을 고려하여 흡입구의 압력회복률을 확률적으로 모델링하였으며, 목적함수로는 흡입구 항력을 선정하였다. 신뢰성 최적설계에 앞서 전산해석비용을 줄이기 위해 실험계획법과 크리깅 모델을 이용하여 적절한 설계공간을 탐색하였다. 신뢰성 기법의 정확도 검증을 위해 몬테카를로 시뮬레이션을 수행하였으며 이 결과를 신뢰성 기법 결과가 잘 추종함을 확인하였다. 신뢰성 기반 최적설계를 수행한 결과, 설계변수의 불확실성을 고려함으로써 시스템의 신뢰성을 확보하였다. 시스템 설계의 다양한 불확실성을 고려하기 위해서는 신뢰성 기반 최적설계가 유용한 접근방법임을 확인할 수 있었다. In this study, RBDO(Reliability Based Design Optimization) was performed for a supersonic double-wedge inlet. By considering uncertainty of design with given design space, the pressure recovery was transformed into the probabilistic constraint while the inlet drag was considered as a deterministic objective function. To save computational analysis cost and to search good design space, Latin-Hypercube design of experiment and the Kriging model were incorporated and then RBDO was performed. Monte-Carlo simulation was performed to verify the accuracy of AFORM(Advanced First Order Reliability Method). It was found that AFORM result agreed very well with the Monte-Carlo simulation result. The system reliability was guaranteed by considering uncertainty of the design variables. In case of considering diverse uncertainty of system design, RBDO was found to be useful.

아음속 항공기 날개 최적 설계 기술 개발

김철완(Cheolwan Kim),최동훈(Dong-hoon Choi) 한국항공우주연구원 2011 항공우주기술 Vol.10 No.1

100인승 이하의 쌍발 터보프롭 항공기의 날개 형상에 대한 최적 설계를 수행하였다. 최적설계는 2단계로 이뤄져 있는데 먼저 꼬리날개의 높이에 대한 방향안정성을 분석하였고 방향 안정성을 갖는 높이에 대해 순항조건에 대해 항력을 최소로 하는 날개의 최적형상을 결정하였다. 방향안정성 분석은 Vorstab를 통해 이뤄졌고, 최적형상은 Piano를 활용하여 결정하였으며 공력해석은 점성을 고려한 Fluent 코드를 활용하였다. 최적설계 결과 약 10 count의 항력을 감소하였다. Optimized design was performed for a subsonic aircraft wing. The subsonic aircraft is dual turbo-prop and carrying less than 100 passengers. The cruise speed is Mach 0.6. The design was performed by two stages. The first stage is to decide the height of horizontal tail by analyzing the directional stability with Vorstab and then, the optimized wing configuration was selected with Piano, a optimizer commercially available. Fluent, a commercial CFD software was utilized to predict the aerodynamic performance of the aircraft. Drag of the aircraft was minimized with maintaining constant lift for cruise. The optimization reduced 10 counts from the initial wing configuration.

식스시그마 제약조건을 고려한 로워암의 공차 최적설계

이광기(Kwang Ki Lee),한승호(Seung Ho Han) 대한기계학회 2011 大韓機械學會論文集A Vol.35 No.10

자동차 로워암과 같이 다양한 형상설계변수를 갖는 부품모듈의 최근 설계경향은 설계자가 관심을 갖는 설계영역을 선형 및 2 차 다항식으로 근사화시키는 반응표면모델로 탐색하고, 다음 단계로서 최적 설계를 수행하는 것이다. 본 연구에서는 로워암의 설계변수 변화에 따른 작용응력과 중량의 비선형적 변화뿐만 아니라 이의 예측에 적합한 신경망모델로 직교성과 균형성을 모두 만족시키는 다수준 전산실험계획법으로 설계영역을 탐색하였다. 구축된 신경망모델에 형상 설계변수의 공차도 같이 고려할 수 있는 식스시그마 제약조건을 적용하여 로워암의 공차 최적설계를 수행하고, 최적해의 공차 강건성을 확보하였다. In the current design process for the lower arm used in automobile parts, an optimal solution of its various design variables should be found through exploration of the design space approximated using the response surface model formulated with a first- or second-order polynomial equation. In this study, a multi-level computational DOE (design of experiment) was carried out to explore the design space showing nonlinear behavior, in terms of factors such as the total weight and applied stress of the lower arm, where a fractional-factorial orthogonal array based on the artificial neural network model was introduced. In addition, the tolerance robustness of the optimal solution was estimated using a tolerance optimization with six sigma constraints, taking into account the tolerances occurring in the design variables.

와류 발생 장치와 매개 변수 기법을 이용한 항공기 최적 설계

이준석,김은사,김종암 한국항공우주학회 2013 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2013 No.11

본 연구에서는 유동 박리와 실속 현상을 억제하는 와류 발생 장치를 이용하여, 항공기 동체-날개 연결 부분에서 발생하는 junction vortex를 제거하고자 하였다. 항공기 날개 윗면과 동체에 와류 발생 장치를 설치하였으며, 파라메트릭 스터디를 바탕으로 와류 발생 장치의 형상과 위치에 대한 최적 설계를 수행하였다. 특히 와류 발생 장치를 독립적으로 고려하여 디자인을 통한 유동 특성의 향상 효과를 극대화하고자 하였으며, 매개 변수 기법을 이용한 기울기 기반의 최적 설계 기법을 적용하여 15개의 많은 변수를 다룰 수 있도록 하였다. 최적 설계 결과, 항공기의 양항비가 5% 이상 증가하였고 junction vortex의 크기 및 세기 또한 감소하였다. To eliminate detrimental phenomena of junction vortex, this study dealt with an installation of the vortex generator on the wing surface and the body surface. A design optimization of vortex generator was also conducted by using results of the parametric study for the position of the vortex generator as a baseline. Because this design needed many design variables to consider each vortex generator individually, adjoint based sensitivity analysis for the gradient based design optimization was adopted. As a result, lift-to-drag ratio of the target aircraft was increased over 5%, and the junction vortex was also weakened.

StrAuto를 활용한 초고층 코어벽체 물량 최적화

최현철,이윤재,김치경,Choi, Hyunchul,Lee, Yunjae,Kim, Chee-Kyeong 한국전산구조공학회 2014 한국전산구조공학회논문집 Vol.27 No.5

본 연구는 초고층 건축물의 기본계획을 바탕으로 철근콘크리트 코어 벽체의 두께를 최적화하여 실시설계에 적용하는 과정에서, StrAuto를 통한 수많은 케이스의 반복해석을 통하여 최적 케이스를 찾아내어, 설계 방향과 한계에 대한 가이드라인을 설정하기 위한 프로세스를 구축하기 위한 실용화 연구이다. 코어 벽체의 두께와 강도를 변경하면서 StrAuto를 통해 반복해석을 수행하고 해석결과를 시각적으로 표현하여 설계자가 어떤 방향으로 설계를 진행할지를 결정하는데 중요한 참고자료로 활용하도록 프로세스를 정립하였다. 본 논문은 기본적인 구조설계가 완료된 상태에서 설계자가 원하는 방향에 대한 수많은 케이스를 빠르게 검토하여 올바른 실시 설계 방향을 설정하는 프로세스를 구축했다는 점에서 큰 의의를 찾을 수 있다. This study is a practical research for setting a process of making references of design decision and guidlines of limitation in the movement from the design development to the construction design by StrAuto. StrAuto, as a parametric modeling and optimization tool for building structure, enables a quantity of design cases to be analyzed automatically by changing parameters of sturctural properties. So the designer using StrAuto can check a lot of analysis data crossing thousands of cases, see which case is out of acceptable range, and make a decision for design and optimization. In this thesis, the application of StrAuto optimization process to the residence tower UIC project shows the practical applicability in the construction design and value engineering. StrAuto optimized ideally volume of core walls by 31.3% and lead the final revised model applied to the construction design to reduce volume by 18.1%. The significance of this research is the implementation of process that the designer can quickly review a number of cases and get a direction for construction design and optimization after design development.

진공시스템 성능에 대한 설계인자 영향 전산모사

김형택,정광필,Kim, Hyung-Taek,Jeong, Kwang-Pil 한국진공학회 2007 Applied Science and Convergence Technology Vol.16 No.6

진공시스템 최적화 설계를 위한 시스템 성능에 대한 설계인자 영향이 전산모사로 연구되었다. 본 연구로 상업화 전산모사기인 $VacSim^{Multi}$에 의한 진공시스템 모델링기구가 제시되었으며 진공시스템의 진공생성기구인 펌핑계 설계인자의 영향을 평가하여 향후 여러 설계인자들의 전산모사 연구 가능성이 확인되었다. $VacSim^{Multi}$의 저진공펌프 모델 전산모사 결과와 펌프사양에 의한 배기거동이 오차범위로 일치하였으며 부스터펌프의 사용이 중진공영역 응용에 효과적인 것으로 확인되었다. 또한 자체 배기능력이 없는 유확산펌프와 터보분자펌프 배기계의 최적화보조펌프 조합이 제시되었으며, 유확산 및 터보분자펌프 배기계의 시스템 공정응용특성도 확인되었다. Effect of design factors on the performance of vacuum system was simulated for optimum design of system. In this investigation, the feasibility of modelling mechanism for $VacSim^{Multi}$ simulator was proposed. Simulation results of pumping design factor showed the possibilities of simulation fore-study for the detailed design factors. Simulation of roughing pump presented the expected pumping behaviors based on the specifications of commercial pump. Application of booster pump exhibited the high pumping efficiency for middle vacuum range. Combinations of optimum backing pump for diffusion and turbo vacuum system were obtained. And, the characteristics of process application of both systems were also acquired.

A Study on the Green Ship Design for Ultra Large Container Ship

김민규,박동우,Kim, Mingyu,Park, Dong-Woo The Korean Society of Marine Environment and safet 2015 海洋環境安全學會誌 Vol.21 No.5

18,000 TEU 급 대형 컨테이너 운반선의 그린쉽 설계에 관한 연구로 기본설계와 에너지 효율 향상 관점에서 선형 최적화 과정을 4단계로 나누어 체계적으로 연구를 수행하였다. 첫째, 환경적 측면 및 법규 등을 고려하여 대형 컨테이너 운반선의 경제성 평가를 수행하였다. 둘째, 기본설계 및 성능 관점에서 단축선형과 쌍축선형의 특징을 조사하였다. 셋째, 설계 흘수 및 속도에서 저항과 추진 성능을 향상시키기 위한 단축 및 쌍축선의 선형 최적화를 CFD와 모형시험을 통해 수행하였으며 최적 선형의 성능 향상을 확인하였다. 마지막으로 실제 운항조건을 고려한 추정된 운항 흘수와 속도에서 CFD를 통해 최적화된 최종 선형을 제시하였다. 본 연구를 통해서 대형 컨테이너 운반선의 그린쉽 설계를 위해 고려해야 할 사항을 살펴보았고 그에 따른 선형 최적화를 수행하였으며 설계 흘수와 실제 운항조건 및 연료 소모량을 고려한 총 에너지 효율식을 이용하여 최적화된 단축 및 상축 선형의 에너지 효율 개선을 확인하였다. A study on the green ship design for Ultra Large Container Ship (ULCS, 18,000 TEU Class Container Ship) was performed based on the four step procedures of the initial design and hull form optimization to maximize economic and propulsive performance. The first, the design procedure for ULCS was surveyed with economic evaluation considering environmental rules and regulations. The second, the characteristics of single and twin skeg container ships were investigated in view of initial design and performances. The third, the hull form optimization for single and twin skeg ships with the same dimensions was conducted to improve the resistance and propulsive performances at design draught and speed by several variations and the results of the optimization were verified by numerical calculations of CFD and model test. The last, for the estimated operating profile of draught and speed, the hull forms of single and twin sked ships were optimized by CFD. From this study, the methodologies to optimize the hull form of ULCS were proposed with considerations during the green ship design and the improvement of the energy efficiency for the optimized hull forms was confirmed by the proposed formula of the total energy considering design conditions, operating profile and fuel oil consumption.

전역 최적 설계 기법을 이용한 와류 발생 장치의 최적 설계 연구

김은사,김종암 한국항공우주학회 2015 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2015 No.4

본 논문에서는 날개-동체 구조의 항공기에서 발생하는 정션 볼텍스를 제거하기 위하여, 유동 제어 장치 중 하나인 와류 발생 장치를 최적 설계하는 연구를 수행하였다. 특히 설계 결과를 통해 날개 윗면에 설치하는 와류 발생 장치의 개수에 대한 영향을 살펴보고자 하였고, 이를 위해서는 와류 발생 장치를 설계 변수로 고려해야 하기 때문에 전역적 설계 방법을 사용하였다. 와류 발생 장치의 경우, 와류 발생 장치의 수학적 모델을 적용하여 유동 해석을 수행하였다. 목적 함수로는 양항비를 채택하여 최적 설계를 수행하였고, 그 결과 정션 볼텍스를 상당 부분 제거하였으며 양항비가 약 2% 증가하여 항공기의 성능이 향상되었다. 또한 와류 발생 장치의 설치 개수가 성능에 미치는 영향을 분석하였다. For the purpose of removing the junction vortex on DLR-F6 wing-body configuration, a study on design optimization of the vortex generator was conducted. In particular, to investigate effects of the number of vortex generators installed on wing upper, the global optimization method, which can consider the number of VGs as design variable, was adopted. For flow analysis on VGs, VG source term model was used, which is more efficient than full gridded analysis. Through the design optimization, the shrinkage of junction vortex was verified and the aircraft performance, which can be indicated by the ratio of lift to drag, was increased over 2%. The importance of the number of vortex generator on design performance was also examined.

파라미터 모델링을 이용한 항공기 날개의 다분야 설계최적화

김영상(Young-Sang Kim),이나리(Na-Ri Lee),조창열(Chang-Yeol Joh),박찬우(Chan-Woo Park) 한국항공우주학회 2008 韓國航空宇宙學會誌 Vol.36 No.3

본 연구에서는 항공기 날개를 설계하기 위하여 공기역학과 구조해석을 통합한 다분야 설계 최적화(MDO) 프레임웍을 구성하였다. 파라미터 모델링 기법을 사용하여 최적화 전 과정을 자동화하였다. 공력해석은 Fluent를 사용하였으며 이를 위한 격자는 CATIA의 파라미터 모델 과 Gridgen을 사용하여 자동으로 생성되도록 하였다. 유한요소해석을 위한 격자는 MSC.Patran의 PCL 기능을 사용한 파라미터 방법으로 자동으로 생성되도록 하였다. 공력하중은 volume spline method를 사용하여 구조하중으로 변환시켰다. 최적화 방법은 전역해를 구하기 유리한 반응표면법을 사용하였다. 최적화 문제로 목적 함수는 날개의 무게의 최소화, 제약 조건은 양항비와 날개의 변위로 정하였다. 그리고 종횡비, 테이퍼 비 및 후퇴각을 설계변수로 정의하였다. 최적화 시험 결과는 본 MDO 프레임웍이 성공적으로 구성되었음을 보여주었다. In this research, a MDO(multi-disciplinary design optimization) framework, which integrates aerodynamic and structural analysis to design an aircraft wing, is constructed. Whole optimization process is automated by a parametric-modeling approach A CFD mesh is generated automatically from parametric modeling of CATIA and Gridgen followed by automatic flow analysis using Fluent. Finite element mesh is generated automatically by parametric method of MSC.Patran PCL. Aerodynamic load is transferred to Finite element model by the volume spline method. RSM(Response Surface Method) is applied for optimization, which helps to achieve global optimum. As the design problem to test the current MDO framework, a wing weight minimization with constraints of lift-drag ratio and deflection of the wing is selected. Aspect ratio, taper ratio and sweepback angle are defined as design variables. The optimization result demonstrates the successful construction of the MDO framework.