복합소재의 연속 두께 변화를 통한 좌굴온도 및 모드형상 최적화

이강국,이후민,윤길호 한국전산구조공학회 2021 한국전산구조공학회논문집 Vol.34 No.6

본 논문에서는 구조물의 좌굴 온도와 좌굴 형상을 제어하는 새로운 크기 최적화 방법에 대해서 소개한다. 구조적 안정성 관점에서 구조물의 좌굴 온도와 좌굴 형상을 예측하는 것은 중요한 주제 중 하나이다. 이를 공학적인 직관을 통해 예측하고 최적화된 구조 설계 를 하는 것은 너무나 어려운 과제이다. 이러한 한계점을 해결하기 위해 본 연구에서는 유한요소 시뮬레이션과 치수 최적 설계 방식의 조합을 제안한다. 구조물의 좌굴 온도와 좌굴 형상이 구조물의 두께에 영향을 받는다는 생각에서 착안해 설계 변수를 구조물의 노드 의 두께 값으로 설정했다. 좌굴 온도 값과 좌굴 형상을 목적 함수로 정해진 부피 값을 제약 조건으로 두었다. 치수 최적 설계를 통해 원 하는 좌굴 온도와 좌굴 형상을 유도하기 위한 최적의 두께 분포를 결정할 수 있다. 제안된 치수 최적 설계의 타당성은 본 논문의 다양 한 직사각형 복합 구조물 예제들을 사용해서 검증하였다. In this study, we presented a novel size optimization framework to control the linear buckling temperature and several buckling modes of plates, by optimizing thickness values of composite structures for practical engineering applications. Predicting the buckling temperature and mode shape of structures is a vital research topic in engineering to achieve structural stability. However, optimizing designs of engineering structures through engineering intuition is challenging. To address this limitation, we proposed a method that combines finite element simulation and size optimization. Based on the idea that the structural buckling temperature and mode shape of a plate are affected by the thickness of the structure, the thickness values of the nodes of the target structure were set as the design variables in this optimization method; and the buckling temperature values, and buckling mode shapes were set as the objective functions. This size optimization method enabled the determination of optimal thickness distributions, to induce the desired buckling temperature values and mode shapes. The validity of the proposed method was verified in terms of their buckling temperature values and buckling mode shapes, using several numerical examples of rectangular composite structures.

고층 트러스 철골구조 시스템의 단면치수 재조정 최대강성 이산화 최적설계

이동규(Lee Dong-Kyu),신수미(Shin Soo-Mi),박성수(Park Sung-Soo) 대한건축학회 2009 大韓建築學會論文集 : 構造系 Vol.25 No.6

This study presents a structural design optimizing sizes of high-rise steel plane truss members by maximizing stiffness subjected to given volume constraints. The sizing optimum design is evaluated by using a well-known optimality criteria (OC) of gradient-based optimization methods. In typical size optimization methods, truss structures are optimized with respect to minimum weight with constraints on the value of some displacement and on the member stresses. The present method is an inversed size optimization in comparisons with the typical size optimization methods since it maximizes stiffness associated with stresses or displacements subjected to volume constraints related to weight. The inversed approach is another alternative to classical size optimization methods in order to optimize members' sizes in truss structures. Numerical applications of a round shape steel pipe truss structure are studied to verify that the proposed maximum stiffness-based size optimization design is suitable for optimally developing truss members's sizes.

고층 트러스 구조물의 최대강성 치수최적설계

신수미(Shin Soo-Mi),오주연(Oh Joo-Yeon),박성수(Park Sung-Soo),이동규(Lee Dong-Kyu) 대한건축학회 2007 대한건축학회 학술발표대회 논문집 - 계획계/구조계 Vol.27 No.1

This study presents a structural design optimizing sizes of high-rise steel plane truss members by maximizing stiffness subjected to given volume constraints. The sizing optimum design is evaluated by using a well-known optimality criteria (OC) of gradient-based optimization methods. In typical size optimization methods, truss structures are optimized with respect to minimum weight with constraints on the value of some displacement and on the member stresses. The present method is an inversed size optimization in comparisons with the typical size optimization methods since it maximizes stiffness associated with stresses or displacements subjected to volume constraints related to weight. The inversed approach is another alternative to classical size optimization methods in order to optimize members' sizes in truss structures. Numerical applications of a round shape steel pipe truss structure are studied to verify that the proposed maximum stiffness-based size optimization design is suitable for optimally developing truss members's sizes.

소재대체법과 치수최적화 기법을 이용한 2층 고속열차 하이브리드 차체 구조물의 경량 설계 연구

임재문 ( Jae-moon Im ),정민호 ( Min-ho Jung ),김종연 ( Jong-yeon Kim ),신광복 ( Kwang-bok Shin ) 한국복합재료학회 2019 Composites research Vol.32 No.1

본 논문의 목적은 소재대체법과 치수최적화 기법을 이용한 2층 고속열차 알루미늄 압출재 차체의 경량 설계를 제시하는 것이다. 소재대체법을 수행하기 위해 위상최적화 기법을 이용하여 차체 구조물의 샌드위치 복합재 적용 부위를 결정하였다. 해석결과, 루프와 2층 언더프레임에 샌드위치 복합재가 적용 가능함을 보여주었다. 치수최적화는 알루미늄 압출재와 카본/에폭시 복합재의 두께를 결정하는데 사용되었다. 치수최적화를 수행하기 위해, 설계변수, 제약조건, 목적함수를 정식화 하였으며 이러한 조건에 의해 유효설계를 도출하였다. 경량 설계의 결과로 2층 고속열차 하이브리드 차체의 무게를 2.18 ton(17.70%)까지 줄일 수 있음을 보여주었다. The purpose of this paper is to suggest a lightweight design for the aluminum extrusion carbody structure of a double deck high-speed train using material substitution and size optimization method. In order to conduct material substitution, the topology optimization was used to determine the application parts of sandwich composites at the carbody structures. The results of analysis showed that sandwich composites could be applied at roof and 2nd underframe. The size optimization was used to determine thickness of the aluminum extruded and carbon/epoxy composite. The design variable, state constraint and objective function were formulated to solve the size optimization, and then, the feasible design was presented by these conditions. The results of the lightweight design showed that the weight of double deck high-speed train hybrid carbody could be reduced by 2.18(17.70%) tons.

철도차량 패널의 치수최적설계 및 리브 배치를 위한 위상최적설계

신대환(Dae-Hwan Shin),이현아(Hyun-Ah Lee),김광우(Kwang-Woo Kim),이장욱(Jahng-Wook Kim),박경진(Gyung-Jin Park) 대한기계학회 2011 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2011 No.10

The railway-car body consists of sandwich panels, and a sandwich panel is constructed with panels and ribs. The mass of the body can be reduced by changing the thicknesses of the panels and ribs. The thicknesses of the panels and the ribs are defined as the design variables. Size optimization is performed to reduce the mass of the railway-car body. Constraints are defined as that the maximum stress of the entire structure and the maximum displacement of the side sill should be less than the allowable stress and displacement. Topology optimization is performed to maximize the stiffness of the structure with specific mass constraints. The railway-car body is divided into six parts. Each part is defined as the design domain and topology optimization is carried out individually. The same loading and boundary conditions are utilized for size and topology optimizations.

패널의 진동을 이용한 머플러의 투과 손실 개선

장진웅,이진우 대한기계학회 2022 大韓機械學會論文集A Vol.46 No.12

In this study, the local thickness of the panel surrounding a muffler was optimized to improve the transmission loss of the muffler within the desired frequency range, and the results were verified using experiments. A rectangular muffler made of acrylic and aluminum, one side of which can be regarded as a vibrating panel and its other sides as rigid walls, was designed and used as the analysis model. An optimal design problem for the muffler was formulated considering that a change in the panel's vibration characteristics highly influences the acoustic characteristics of the expansion chamber constituting the muffler. The objective function was declared by reflecting a target noise frequency range and applying the vibro-acoustic coupling effect while using the local thicknesses of the panel as design variables. The muffler's optimal design problem was solved using an optimization algorithm, and a discussion conducted on the results with regard to vibro-acoustic coupling. Finally, the effectiveness of the designed muffler was verified. The results of this study show that the effective application of the vibro-acoustic coupling effect can significantly increase the noise reduction performance of a muffler. 본 논문에서는, 원하는 주파수 대역에서 머플러의 투과 손실을 개선하기 위해 머플러를 둘러싸고있는 패널의 두께를 국부적으로 최적화하고, 설계한 결과를 실험으로 검증한다. 한 면은 진동하는 패널로, 나머지 면은 강체벽으로 간주할 수 있는 직육면체 형상의 머플러를 해석 모델로 선정한다. 이 패널의 진동 특성 변화는 머플러를 구성하는 확장방의 음향 특성에 강하게 영향을 준다는 사실을 고려하여 머플러 최적 설계 문제를 정식화 한다. 머플러의 목표 소음 주파수 대역과 진동-음향 연성 효과를 반영하여 목적 함수를 구성하고, 패널의 국부적인 두께를 설계 변수로 선정한다. 최적화 알고리즘을 이용하여 머플러 최적 설계 문제의 해를 구하고, 최적화 결과에 대한 진동-음향학적인 고찰을 진행한다. 최종 설계된 머플러는 아크릴과 알루미늄으로 제작하여 검증 실험을 수행한다. 이 연구 결과는 진동-음향 연성 효과를 효과적으로 이용하면 머플러의 소음 저감 성능을 개선시킬 수 있다는 사실을 입증한다.

RETScreen 모델이용 태양열온수시스템 초기설계단계 설계용량 최적화기법의 TRNSYS 모델과의 비교분석

이경호(Kyoung-Ho Lee) 대한설비공학회 2013 설비공학 논문집 Vol.25 No.12

This paper describes a method for size optimization of the major design variables for solar water heating systems at the stage of concept design. The widely used RETScreen simulation tool was used for optimization. Currently, the RETScreen tool itself does not provide a function for optimization of the design parameters. In this study, an optimizer was combined with the software. A comparative study was performed to evaluate the RETScreen-based approach with the case study of a solar heating system in an office building. The optimized results using the RETScreen model were compared to previously published results with the TRNSYS model. The objective function of the optimization is the life-cycle cost of the system. The optimized design results from the RETScreen model showed good agreement with the optimized TRNSYS results for the solar collector area and storage volume, but presented a slight difference for the collector slope angle in terms of the converged direction of the solutions. The energy cost, life-cycle cost, and thermal performance regarding collector efficiency, system efficiency, and solar fraction were compared as well, and the RETScreen model showed good agreement with the TRNSYS model for the conditions of the base case and optimized design.

반도체 공정에 이용되는 레일의 최적설계

임오강,조재승,김학선,황종균 한국전산구조공학회 2004 한국전산구조공학회논문집 Vol.17 No.3

There is an over head hoist transporter(OHT) by the system for delivering the wafer in semiconductor processing. The transfer system consist of carrier, vehicle, rail and support. The rail supporting the wafer and the transfer system should maintain enough strength and stiffness. To achieve lightness and enough strength and stiffness, optimization algorithm should be introduced in design process. In this study, two kinds of section shapes as L-type, C-type is carried out the structure analysis and optimization. Total weight of rail is to be minimized while displacement should not exceed limit. To improve the initial model, topology optimization is done by the plain problem. Size optimization is done with 3D solid element and PLBA algorithm, the RQP algorithm. The weight of optimum model as L-type, C-type is decreased by 2.3%, 10% respectively. It is improved better than the initial model in the strength and stiffness of the structure. 자동반송 시스템인 천장용 호이스트 이송장치는 천장을 반송공간으로 반도체 웨이퍼를 운반하는 장치이며, 분진이나 소음 및 진동에 대단히 민감하다. 구동부와 레일의 접촉에 의해서 발생되는 마찰, 분진 소음 등의 문제를 최소화시키고 구동부와 이재부의 자중에 따른 구조물 자체의 안정성 검토를 수행하기 위해서 레일의 구조해석 및 최적설계가 필요하다. 본 연구에서는 구동부의 자중에 의한 레일의 기울기를 관심영역으로 설정하고, 변위 및 기울기를 최소화시키기 위해서 위상최적화, 근사 최적화 기법을 도입하여 최적화를 수행하였다. 구조해석은 ANSYS를 이용하였고, 3D 모델링은 Pro/Engineer를 이용하였다. 최적화 알고리즘은 수렴성이 높은 순차 이차 계획법인 PLBA(Pshenichny-Lim-Belegundu-Arora) 알고리즘을 사용하였다

중형 터보프롭 항공기 개념설계 및 형상 최적설계 프레임워크의 개발 및 검증

조영민,최성임,박영민,강왕구,이해창 한국항공우주학회 2012 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2012 No.4

특정 운용범위에서 높은 연료효율을 가지는 터보프롭 항공기는 최적의 중거리 운송기이다. 최근 항공 산업 성장에 힘입어 중형 터보프롭 항공기의 개발이 활발히 진행되고 있다. 본 연구의 목적은 신속한 중형 터보프롭 항공기 개념설계 및 형상 최적설계 프레임워크 개발이다. 이를 위해, 상용 프로그램과 in-house 프로그램을 비교하여 개념설계를 진행하였다. 또한 고차원 공력해석을 위해 포텐셜 방정식 해석법을 이용 하였으며, 형상 최적화를 위해 유전 알고리즘을 이용하였다. 개념설계 결과 제안된 요구조건을 만족 하였으며, 형상 최적화를 통해 보다 좋은 순항성능을 가지는 형상을 도출하였다. 향후 추가적인 개발을 통해 보다 정확도 높은 프레임워크가 될 것이다. Mid-size turbo prop transport has high fuel efficiency in specific operation range. Recently, development of it have been with aircraft industry. A purpose of this study is to develop and validate a quick framework of conceptual design and shape optimization. Commercial tools and in-house code comparison is proceeded for conceptual design. For more accurate aerodynamics, potential equation method is used. And to optimize shape of the aircraft, genetic algorithm is used. The estimation results satisfy the proposed requirements, and better cruise performance can be done after shape optimization. This framework will have better accuracy of estimation and shape optimization.

내면 연삭기의 강성평가 기반 치수 최적설계

박성현(Seong Hyeon Park),고한별(Han Byeol Ko),강효림(Hyo Lim Kang),한승호(Seung Ho Han) 대한기계학회 2022 大韓機械學會論文集A Vol.46 No.5

내면 연삭기는 자동차용 휠 베어링 외륜의 내면을 정밀 연삭하는 전용 공작기계로서 0.6 μm 이내의 표면조도가 확보되어야 한다. 이러한 가공정밀도는 가공부 및 하부 지지구조물인 베드의 강성에 크게 영향을 받으며, 연삭기의 구조강성이 충분히 확보되지 않으면 공구계의 강성저하로 고정밀 연삭이 불가능하다. 따라서 가공정밀도에 큰 영향을 미치는 하부 베드 지지구조물의 충분한 정·동강성의 확보는 물론 경량설계를 위한 치수 최적화가 요구되고 있다. 본 연구에서는 개발 중인 휠 베어링 전용 내면 연삭기 베드 지지구조물의 초기 개념설계 단계에서 필요한 정·동강성의 평가를 위해 조화응답해석을 수행하였다. 조화 가진력이 주어지는 상태에서 시스템 주파수를 고려한 정·동적 컴플라이언스가 얻어졌으며, 이를 이용하여 정·동강성을 구하였다. 아울러 목표한 가공정밀도에 필요한 정·동강성이 각각 200 및 37 N/μm로 유지되며, 43개의 리브 두께를 설계변수로 지정한 베드 지지구조물의 치수 최적설계가 수행되었다. 이를 통해 베드 지지구조물의 초기중량을 10% 감소시키는 경량설계가 이루어졌다. The internal grinding machine is a precision grinder used when producing the outer race of automobile wheel bearings, whose surface roughness should be ensured within a 0.6μm. A machining procedure with such precision is affected significantly by the structural rigidity of grinding wheel set and support structure. The structural rigidity parameters, such as static and dynamic stiffness, are crucial in high efficiency grinding to ensure a high accuracy surface roughness. Therefore, it is necessary to ensure the sufficient static and dynamic stiffness of the grinding wheel set and support structure, in which a lightweight design should be carried out via a size optimal design technique. In this study, a dynamic analysis was conducted to evaluate the static and dynamic stiffness parameters of the support structure for the internal grinding machine. These stiffness parameters were estimated numerically using the static and dynamic compliances obtained through the dynamic analysis under harmonic excitation. The size optimal design was carried out to identify the optimal design variables, such as a thickness of 43 ribs in the support structure, while the static and dynamic stiffness parameters required for a precision machining were maintained at 200 and 37N/μm, respectively. The result of the lightweight design indicated that the weight of the support structure was decreased approximately 10% compared with that of the initial design.