• Title, Summary, Keyword: 형상설계민감도해석

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X-FEM Based Shape Design Sensitivity Analysis of Crack Propagation Problems (균열진전 문제의 X-FEM 기반 형상 설계민감도 해석)

  • Moon, Min-Yeong;Ahn, Seung-Ho;Cho, Seon-Ho
    • Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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    • pp.697-700
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    • 2011
  • 본 논문에서는 X-FEM을 사용하여 혼합모드 하중 상태에서의 이차원 선형탄성체의 균열문제에 대한 형상 설계민감도 해석을 수행하였다. X-FEM이란 균열과 같은 특수한 해를 근사하는 방법으로써, 확장함수를 도입하여 FEM의 한계를 극복하는 방법론이다. X-FEM 하에서 해를 근사하는 데 쓰이는 확장함수들은 불연속성과 특이성을 포함하고 있어 물리적 영역에 의존한다. 이는 설계민감도 해석을 수행하는 과정에서 그러한 의존성을 고려해주는 것이 필요하다. 따라서 본 논문에서는 X-FEM 기반의 형상 설계민감도 해석해를 제안하고자 한다. 식의 유도는 전 미분 공식에 기초하고 있으며, 형상함수의 설계변분에 대한 의존성에 관한 항을 추가시켰다. 또한, 균열 주위의 국부적인 공간에서의 확장된 자유도에 설계속도를 가한다. 이에 대한 몇 가지 수치 예제를 통하여 개발된 방법론의 타당성을 확인하였다.

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Design Sensitivity Analysis and Optimization of Plane Arch Structures Using Variational Formulation (변분공식화를 이용한 2차원 아치 구조물의 설계민감도 해석 및 최적설계)

  • 최주호
    • Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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    • v.14 no.2
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    • pp.159-171
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    • 2001
  • 평면 아치 구조물에 대해 선형 탄성 변분방정식에 기반을 둔 설계민감도 해석을 위한 일반적 이론을 개발하였다. 아치 구조물내의 임의 마디에 정의된 응력범함수를 고려하였고 이에 대한 설계민감도 공식을 유도하기 위해 전미분(material derivative) 개념과 보조(adjoint) 변수 방법을 도입하였다. 얻어진 민감도 공식은 구조해석 결과를 얻고 나면 이들로부터 단순 대수연산을 통해 계산이 되므로 적용이 간편할 뿐 아니라 해의 정확도가 높은 잇점이 있다. 본 방법은 아치의 형상을 매개변수를 통해 표현하므로 얕은 아치에 국한하지 않고 어떠한 형상도 고려가 가능하며, 나아가서 아치의 형상변화를 형상에 대해 수직뿐 아니라 접선방향도 포함하여 일반적으로 고려하므로 다양한 형상설계가 가능하다. 몇 가지 예제에서 민감도 계산을 수행함으로써 본 방법의 정확도와 효율성을 입증하였으며, 두 가지의 설계최적화 문제를 대상으로 실제로 두께 및 형상최적설계를 수행하였다.

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형상최적설계의 기초

  • 이희각
    • Computational Structural Engineering
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    • v.7 no.3
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    • pp.16-23
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    • 1994
  • 본 고에서는 형상최적설계에 대한 기초이론이 소개되었다. 재료도함수와 변분법 및 보조변수법에 기초한 형상설계민감도해석 절차는 까다로우며 함수론 등 많은 수학적인 배경을 필요로 한다. 설계민감도가 구해지면 이 정보를 필요로 하는 최적화 알고리즘을 사용하여 형상에 대한 최적해를 구할 수 있으며 그 과정은 재래식 최적설계시와 같다. 구조물 형상최적설게에 있어 형상(영역)변화의 효과는 대부분 경계에서 수직이동의 형태로 나타난다. 따라서 경계면에서 변위나 응력값 등에 대한 정확한 수치해는 성공적인 형상최적화의 중요한 관건이 된다. 따라서 구조해석을 위한 정확한 유한요소해석방법과 형상함수 그리고 경계를 나타내는 적절한 함수들을 지속적으로 개선할 필요가 있다. 반복설계과정 중에서 영역과 경계가 계속 바뀌므로 설계민감도 수치해의 정확도를 높이기 위해 경계요소법과 유한요소법에 기초를 둔 영역법 등을 사용하기도 한다.

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Optimal Design of Electromagnetic Devices Using COMSOL Interface (COMSOL 인터페이스를 이용한 전기기기의 최적설계)

  • Kim, Min-Ho;Byun, Jin-Kyu
    • Proceedings of the KIEE Conference
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    • pp.660_661
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    • 2009
  • 본 논문에서는 유한 요소법에 기반을 둔 최적설계 이론과 상용 시뮬레이션 프로그램인 COMSOL의 인터페이스를 활용하여 전기 기기의 최적설계를 수행하였다. 전기기기의 최적설계를 위한 형상 정보는 통상적으로 해석용으로만 사용되는 COMSOL 프로그램의 CAD 기능을 통해 추출하였다. 초기형상에 대해 민감도해석을 적용해 계산된 민감도를 바탕으로 설계변수를 변화시키며 반복적인 계산을 수행하고 최적 형상을 도출하였다. 논문에서 정한 설계목표에 맞추어 모델의 목적함수를 정의하고, 최종 결과를 초기형상과 비교했을 때 설계 목표치에 대한 오차가 감소하고 목적함수가 수렴하는 것을 확인하였다.

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Shape Design Sensitivity Analysis of Axisymmetric Thermal Conducting Solids Using Boundary Integral Equations (경계적분방정식을 이용한 축대칭 열전도 고체의 형상설계민감도 해석)

  • 이부윤
    • Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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    • v.17 no.1
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    • pp.141-152
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    • 1993
  • A generalized method is presented for shape design sensitivity analysis of axisymmetric thermal conducting solids. The shape sensitivity formula of a general performance functional arising in shape optimal design problem is derived using the material derivative concept and the adjoint variable method. The method for deriving the formula is based on standard axisymmetric boundary integral equation formulation. It is then applied to obtain the sensitivity formulas for temperature and heat flux constraints imposed over a small segment of the boundary. To show the accuracy of the sensitivity analysis, numerical implementations are done for three examples. Sensitivities calculated by the presented method are compared with analytic sensitivities for two examples with analytic solutions, and compared with sensitivies by finite difference for a cooling fin example.

A Study on Shape Optimum Design for Stability of Elastic Structures (탄성 구조물의 안정성을 고려한 형상최적설계)

  • Yang, Wook-Jin;Choi, Joo-Ho
    • Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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    • v.20 no.1
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    • pp.75-82
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    • 2007
  • This paper addresses a method for shape optimization of a continuous elastic body considering stability, i.e., buckling behavior. The sensitivity formula for critical load is analytically derived and expressed in terms of shape variation, based on the continuum formulation of the stability problem. Unlike the conventional finite difference method (FDM), this method is efficient in that only a couple of analyses are required regardless of the number of design parameters. Commercial software such as ANSYS can be employed since the method requires only the result of the analysis in computation of the sensitivity. Though the buckling problem is more efficiently solved by structural elements such as a beam and shell, elastic solids have been chosen for the buckling analysis because solid elements can generally be used for any kind of structure whether it is thick or thin. Sensitivity is then computed by using the mathematical package MATLAB with the initial stress and buckling analysis of ANSYS. Several problems we chosen in order to illustrate the efficiency of the presented method. They are applied to the shape optimization problems to minimize weight under allowed critical loads and to maximize critical loads under same volume.

Topology Optimization in the Process of Conceptual Design (개념설계를 위한 토폴로지 최적화 기법)

  • 고병천
    • Journal of the KSME
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    • v.35 no.8
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    • pp.716-724
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    • 1995
  • 토폴로지 설계는 미리 형상이 결정되지 않은 새로운 개념의 제품을 설계하고자 할 때나 설계 경험이 풍부하지 못한 경우, 그 개념적 형상을 결정하는 데 매우 유용하다. 실제로 이러한 토폴 로지 설계의 결과를 최근 급속 시제품 제작기(rapid prototyping machine)와 함께 사용하게 되면 처음 개념설계에서 최초시제품의 형상을 예측하고 제작하는 데 많은 시간을 절약할 것으로 판 단된다. 그러나 토폴로지 최적화에 따른 구조물은 구조물의 한계 질량내에서 평균 강성이 가장 큰 구조물일 뿐, 국부적인 응력한계에 대한 최적화는 아니다. 따라서 최종적인 최적화 형상을 얻기 위해서는, 먼저 한계질량을 갖는 최적 토폴로지 구조물의 모델을 구하고, 이 모델에 대하여 설계변수에 따른 민감도 해석을 수행하여 최대응력의 한계값을 갖는 구조를 구하면 된다. 그림 10은 이러한 토폴로지 최적화와 민감도 해석을 통한 최적화를 수행하는 복합 최적설계 과정에 흐름도이다. 설계민감도 해석은 본 연구의 범위에 포함되지 않아서 여기서는 제외하였지만, 이에 관한 일반 상업화된 소프트웨어들이 많이 나와 있으므로 이를 참조하면 된다.

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Shape Design Sensitivity Analysis Using Isogeometric Approach (등기하 해석법을 이용한 설계 민감도 해석)

  • Ha, Seung-Hyun;Cho, Seon-Ho
    • Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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    • v.20 no.3
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    • pp.339-345
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    • 2007
  • In this paper, a variational formulation for plane elasticity problems is derived based on an isogeometric approach. The isogeometric analysis is an emerging methodology such that the basis functions for response analysis are generated directly from NURBS (Non-Uniform Rational B-Splines) geometry. Furthermore, the solution space for the response analysis can be represented in terms of the same functions to represent the geometry, which enables to provide a precise construction method of finite element model to exactly represent geometry using B-spline base functions in CAD geometric modeling and analyze arbitrarily shaped structures without re-meshing. In this paper, a continuum-based adjoint sensitivity analysis method using the isogeometric approach is extensively derived for the plane elasticity problems. The conventional shape optimization using the finite element method has some difficulties in the parameterization of geometry In the isogeometric analysis, however, the geometric properties are already embedded in the B-spline basis functions and control points so that it has potential capability to overcome the aforementioned difficulties. Through some numerical examples, the developed isogeometric sensitivity analysis method is verified to show excellent agreement with finite difference sensitivity.

Optimal Positioning of Heating Lines in a Compression Molding Die Using the Boundary Element Method (경계요소법을 이용한 압축성형다이 가열선의 최적위치 설계)

  • 이부윤;조종래
    • Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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    • v.17 no.6
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    • pp.1478-1485
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    • 1993
  • A shape optimization problem is formulated to determine the optimal position of heating lines in a compression molding die. The objective of the problem is that the cavity surface would be maintained by a prescribed uniform temperature. A boundary integral equation for the sensitivity of the temperature in terms of hole position is derived using the method of shape design sensitivity analysis. The boundary element method is employed to analyze the temperature and sensitivity field of the die. The sensitivity calculation algorithm is incorporated in an optimization routine. To demonstrate a numerical implementation, an example problem arising in thermal design of a compression molding die is dealt with, showing that the number of heating lines chosen for the die strongly affects the ultimate uniformity of the cavity surface temperature.

Shape Design Sensitivity Analysis for Stability of Elastic Structures (탄성 구조물의 안정성을 고려한 형상설계민감도해석)

  • Choi, Joo-Ho
    • Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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    • v.30 no.1
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    • pp.76-83
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    • 2006
  • This paper addresses the method for the shape design sensitivity analysis of the buckling load in the continuous elastic body. The sensitivity formula for critical load is analytically derived and expressed in terms of shape variation, based on the continuum formulation of the stability problem. Though the buckling problem is more efficiently solved by the structural elements such as beam and shell, the elastic solids are considered in this paper because the solid elements can be used in general for any kind of structures whether they are thick or thin. The initial stress and buckling analysis is carried out by the commercial analysis code ANSYS. The sensitivity is computed by using the mathematical package MATLAB using the results of ANSYS. Several problems including straight and curved beams under compressive load, ring under pressure load, thin-walled section and bottle shaped column are chosen to illustrate the efficiency of the presented method.