A Study on Shape Optimization of Plane Truss Structures

평면(平面) 트러스 구조물(構造物)의 형상최적화(形狀最適化)에 관한 구연(究研)

Formulation of the geometric optimization for truss structures based on the elasticity theory turn out to be the nonlinear programming problem which has to deal with the Cross sectional area of the member and the coordinates of its nodes simultaneously. A few techniques have been proposed and adopted for the analysis of this nonlinear programming problem for the time being. These techniques, however, bear some limitations on truss shapes loading conditions and design criteria for the practical application to real structures. A generalized algorithm for the geometric optimization of the truss structures which can eliminate the above mentioned limitations, is developed in this study. The algorithm developed utilizes the two-phases technique. In the first phase, the cross sectional area of the truss member is optimized by transforming the nonlinear problem into SUMT, and solving SUMT utilizing the modified Newton-Raphson method. In the second phase, the geometric shape is optimized utilizing the unidirctional search technique of the Rosenbrock method which make it possible to minimize only the objective function. The algorithm developed in this study is numerically tested for several truss structures with various shapes, loading conditions and design criteria, and compared with the results of the other algorithms to examme its applicability and stability. The numerical comparisons show that the two-phases algorithm developed in this study is safely applicable to any design criteria, and the convergency rate is very fast and stable compared with other iteration methods for the geometric optimization of truss structures.

탄성(彈性) 이론(理論)에 의하여 트러스의 형상최적화(形狀最適化) 문제(問題)를 형성(形成)하게 되면 부재(部材)의 단면적(斷面積)과 절점(節點)의 좌표(座標)를 동시에 고려(考慮)해야 하는 복잡(複雜)한 비선형(非線型) 계획문제(計劃問題)가 된다. 이런 비선형(非線形) 계획문제(計劃問題)를 해석(解析)할 수 있도록 제시(提示)된 기법(技法)이 별로 없고 현재 사용(使用)하고 있는 기법(技法)들도 실제(實際)의 적용(適用)에 제한(制限)을 받는 경우가 많다. 그러므로 트러스의 형태(形態), 재하조건(載荷條件) 등에 구애됨이 없이 트러스의 형상(形狀)을 최적화(最適化)할 수 있는 일반(一般) 해석기법(解析技法)이 필요(必要)한 것이다. 이에 본연구(本硏究)에서는 전(全) 해석과정(解析過程) two-phases로 나누어 phase 1 에서는 단면(斷面)을 최적화(最適化)하고 phase 2 에서는 트러스의 절점좌표(節點座標)를 변수(變數)로 하여 형상(形狀)을 최적화(最適化)하는 알고리즘을 개발(開發)한 것이다. 이 알고리즘의 phase 1 에서 유도(誘導)된 비선형(非線型) 계획문제(計劃問題)를 SUMT 문제(問題)로 변환(變換)시켜 Modified Newton-Raphson Method에 의한 SUMT 법(法)을 채택(採擇)하고 phase 2 에서는 Rosenbrock Method의 일방향(一方向) 탐사기법(探査技法)에 의해 목적함수(目的凾數)만이 최소(最小)가 되도록 하는 기법(技法)을 도입(導入)하여 최적화(最適化) 알고리즘 개발(開發)하였다. 개발(開發)된 알고리즘을 트러스의 형태(形態), 설계제약조건(設計制約條件), 재하조건(載河條件) 등을 변화(變化)시켜 가면서 수종(數種)의 트러스에 적용(適用)하여 수치계산(數値計算)을 실시(實施)하고 그 결과(結果)를 다른 알고리즘의 결과(結果)와 정교(正較)하므로서 개발(開發)된 알고리즘의 타당성(妥當性) 안정성(安定性) 적용성(適用性)을 검토(檢討)하였다. 연구(硏究) 결과(結果) 개발(開發)된 이 two-phases 알고리즘은 트러스의 설계조건(設計條件)에 구애받지 않고 트러스의 형상최적화(形狀最適化)에 적용(適用)할 수 있으며 안정성(安定性)있게 빠른 속도(速度)로 최적해(最適解)에 수렴(收斂)한다는 사실(事實)이 확인(確認)되었다. 이에 본(本) 알고리즘을 트러스의 형상최적화(形狀最適化) 알고리즘으로 새로이 제안(提案)하고 본(本) 알고리즘이트러스의 경제적(經劑的)인 설계(設計)에 도움을 줄 수 있을 것으로 사료(思料)된다.