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        Navier-Stokes 유체의 최적제어를 위한 SQP 기법의 개발

        한국전산구조공학회 한국전산구조공학회 2002 한국전산구조공학회논문집 Vol.15 No.4

        본 연구의 목적은 Navier-Stokes 유체와 같은 대용량 문제를 위한 최적화 기법의 개발에 있다. 이를 위해 본 연구에서는 reduced Hessian sequential quadratic programming을 개발하였다. 첫째, 유체의 해석을 위한 평형 방정식을 최적화 과정에서 제거하여 변수를 줄였고, 또한 평형방정식과 최적화 과정에서 연속기법을 사용하여 최적해를 보장하면서 더욱 해에 쉽게 접근하도록 하였다. 그리고 각 단계에서는 테일러 시리즈를 이용한 근사치를 이용하여 각 단계에서 대단히 좋은 초기치 값을 제공하여 최적해에 더욱 빠르게 접근하게 하고 아울러 유체의 평형방정식을 풀 때에도 해에 더욱 빠르고 쉽게 접근하도록 하였다. 이 기법을 항력을 줄이기 위한 유체의 최적 제어를 위한 문제에 적용하였다. 유체의 흐름을 제어하기 위하여 물체의 경계면에서 유체의 흡입(suction)과 방축(injection)이라는 기법을 사용하여 경계면에서 속도를 제어하였고, 목적함수로써 항력을 표현하기 위하여 에너지 소실의 변화율을 사용하였다. 예제를 통해 본 연구에서 개발한 최적화 기법의 효용성을 입증하였다. The focus of this work is on the development of large-scale numerical optimization methods for optimal control of steady incompressible Navier-Stokes flows. The control is affected by the suction or injection of fluid on portions of the boundary, and the objective function of fluid on portions of the boundary, and the objective function represents the rate at which energy is dissipated in the fluid. We develop reduced Hessian sequential quadratic programming. Both quasi-Newton and Newton variants are developed and compared to the approach of eliminating the flow equations and variables, which is effectively the generalized reduced gradient method. Optimal control problems we solved for two-dimensional flow around a cylinder. The examples demonstrate at least an order-of-magnitude reduction in time taken, allowing the optimal solution of flow control problems in as little as half an hour on a desktop workstation.

      • KCI등재

        고차전단변형 판이론을 이용한 채널단면을 갖는 복합적층 절판 구조물의 유한요소 진동 해석

        한국전산구조공학회 한국전산구조공학회 2004 한국전산구조공학회논문집 Vol.17 No.1

        본 연구에서는 유한요소법을 이용한 채널단면을 갖는 복합재료 적층 구조물의 자유진동을 다룬다. 복합적층 절판구조물에 고차항 판이론을 적용하기 위하여 개발된 유한요소 프로그램은 Lagrangian 및 Hermite 보간함수를 병용하여 면내회전각 자유도를 포함한 절점 당 8개의 자유도를 갖는다. 전단보정계수의 가정을 필요로 하지 않고 전단변형의 3차항 비선형 특성이 고려된 본 논문의 절판 요소는 국부좌표계와 전체좌표계에 대한 좌표변환행렬에 의하여 요소 당 32의 국부요소행렬로 구성된다. 본 해석 프로그램의 결과는 기존의 고전적 이론 및 일차항 이론에 의한 문헌 결과와 비교ㆍ분석하였으며, 화이버 보강각도, 길이-두께비, 기하학적 형상 변화 등의 다양한 매개변수 연구를 수행하였다. 본 연구에서는 특히 경계조건 및 길이-두께비 변화에 따라 예측하기 힘든 복잡한 거동을 보이는 복합적층 채널단면 구조물의 자유진동에 대하여 정밀한 고차항 이론 적용에 의한 엄밀 해석의 필요성을 제기하였다. This study deals with free vibrations of laminated composite structures with a channel section using finite element method. In this paper, the mixed finite element method using Lagrangian and Hermite interpolation functions is adopted and a high-order plate theory is used to analyze laminated composite non-prismatic folded plates with a channel section more accurately for free vibration. The theory accounts for parabolic distribution of the transverse shear stress and requires no shear correction factors supposed in the first-order plate theory. An 3232 matrix is assembled to transform the system element matrices from the local to global coordinates using a coordinate transformation matrix, in which an eighth drilling degree of freedom (DOF) per node is appended to the existing 7-DOF system. The results in this study are compared with those of available literatures for the conventional and first-order plate theory. Sample studies are carried out for various layup configurations and length-thickness ratio, and geometric shapes of plates. The significance of the high-order plate theory in analyzing complex composite structures with a channel section is enunciated in this paper.

      • KCI등재

        Three-Dimensional Vibration Analysis of Cantilevered Laminated Composite Plates

        한국전산구조공학회 한국전산구조공학회 2001 한국전산구조공학회논문집 Vol.14 No.3

        본 논문은 캔틸레버 복합 적층판의 고유진동에 대하여 3차원으로 해석한 연구를 제시하고 있다. 본 연구에서는 고정단에서의 경계조건을 엄밀히 만족하고 수학적으로 완전한 다항식으로 표현되는 근사 변위와 Ritz 방법을 이용하여 Lagrangian범함수의 정상값을 구하였다. 3차원 모델의 정확도는 무차원 진동수의 수렴연구를 통하여 이루어졌으며, 또한 기존 문헌상의 해석 및 실험 결과와의 비교를 통하여 본 연구 결과의 정확성을 검토하였다. 본 논문에서 제시된 3차 원 진동수의 결과를 이용하여 캔틸레버 복합 적층판의 기하학 및 재료 매개변수 즉, 형상비(a/b), 폭두께비(a/h), 재료의 직교 이방성, 플라이 수(NP), 섬유 배향각(), 및 적층 순서가 미치는 효과를 설명하였다. This paper presents the three-dimensional (3-D) study of the natural vibration of cantilevered laminated composite plates. The Ritz method is used to obtain stationary values of the associated Lagrangian functional with displace- ments approximated by mathematically complete polynomials satisfying the boundary conditions at the clamped edge exactly. The accuracy of the 3-D model is established through a convergence study of non-dimensional frequencies followed by a comparison of the converged 3-D solutions with analytical and experimental findings in the existing literature. A wide scope of 3-D frequency results explain the influence of a number of geometrical and material parameters for cantilevered laminated plates, namely aspect ratio (a/b), width-to-thickness ratio (a/h), orthotropy of material, number of plies (NP), fiber orientation angle (), and stacking sequence.

      • KCI등재

        절점이동과 단항증가법에 의한 이차원 평면문제의 적응 유한요소 해석

        한국전산구조공학회 한국전산구조공학회 2004 한국전산구조공학회논문집 Vol.17 No.1

        최근, 유한요소해석견과의 신뢰도를 향상시키기 위하여 활발하게 연구되고 있는 적응유한요소해석은 반복계산을 통해서 해석결과의 오차가 사용자에 의해 지정된 허용오차와 같아지도록 하는 해석방법이다. 이와 간은 적응유한요소해석은 해석결과의 오차평가와 이에 따른 유한요소의 재구성과정으로 나누어진다. rp방법에서는 절점의 위치를 이동시켜 요소의 크기를 조절하는 r방법과 형상함수찻수를 증가시키는 p방법을 동시에 적용함으로써 적응해석의 유효성을 향상시키고자 하였다. 제안한 rp방법의 특성을 규명하고 적응해석의 유효성을 보이기 위하여 전형적인 이차원 평면문제들을 해석하고 그 결과를 검토하였다. Adaptive finite element analysis, in which its solution error meets with the user defined allowable error, is recently used to improve the reliability of finite element analysis results. This adaptive analysis is composed of two procedures; one is the error estimation of an analysis result and the other is the reconstruction of finite elements. In the (p-method, an element size is controlled by relocating of nodal positions (r-method) and the order of an element shape function is determined by the hierarchical polynomial (p-method) corresponding to the clement solution error by the enhanced SPR. In order to show the effectiveness and the accuracy of the suggested rp-method, various numerical examples were analyzed and these analysis results were examined by comparing with those obtained by the existed methods.

      • KCI등재

        The Finite Element Analysis for Calculations of Equivalent Elastic Constants Using the Homogenization Method

        한국전산구조공학회 한국전산구조공학회 2000 한국전산구조공학회논문집 Vol.13 No.1

        본 논문은 구조물의 미시적 측면에서 유효평균탄성계수를 결정하기 위한 균질화기법인 점근적 방법을 적용하였고, 탄성값을 조사하기 위하여 유한요소법으로 정식화하였다. 수치 예로서 물성치가 각기 다른 등방성 재료를 적층한 부재의 임의 단면에서 단위요소를 해석영역으로 설정하고 산출된 탄성계수를 기존의 해석방법으로부터 산출된 값과 비교하였다. 균질화기법으로 산출된 탄성계수는 과소평가되어 나타나며, 이는 해석영역을 유한요소정식화하는 과정에서 수정항만큼 차이가 난다는 것을 증명하였다. 기존 해석방법으로는 복합재료의 탄성계수가 단순히 재료의 산술적 평균값으로 계산되는 것과는 달리, 미시적으로 복합재 단위요소의 반복성을 고려함으로써 제안된 해석방법이 보다 유용하다는 것을 보여 주었다. This paper discusses the homogenization method to determine effective average elastic constants of a linear structure by considering its microstructure. A detailed description on the homogenization method is given for the linear elastic material and then the finite element approximation is performed for an investigation of elastic properties. An asymptotic expansion is carried out in the cross- section area, or in the unit cell. Two and three lay - up structures made up of individual isotropic constituents are chosen for numerical exarnples to check discrepancies between results generated by this theoretical development and the conventional approach. Asymptotic characteristics of the process in extracting the stiffness of structure locally formed by spatial repetitions yield underestimated values of stiffness These discrepancies are detected by the asymptotic corrective term which is ascribed to considerations of microscopic perturbations and proved in the finite element formulation. The asymptotic analysis is the more reasonable in analysing the composite material, rather than the conventional approach to calculate the macroscopic average for elastic properties.

      • KCI등재

        단면변형의 효과를 포함한 강상자형 거더의 엄밀한 해석

        한국전산구조공학회 한국전산구조공학회 2004 한국전산구조공학회논문집 Vol.17 No.1

        본 연구에서는 직선 강상자형 거더의 단면변형에 의한 변형 및 응력계산을 위한 Matlab 해석프로그램을 개발하고자 한다. 이를 위하여 단면변형이론을 요약하고 빔유사이론을 제시한다. 이후 탄성지반위의 보-기둥부재의 지배방정식을 제시하고, 일반화된 고유치해석을 통하여 집중 및 분포하중을 받는 보요소의 엄밀한 강성행렬을 계산한다. 본 연구의 효율성과 정확성을 입증하기 위하여 격벽을 갖는 상자형 거더의 뒤틀림응력을 계산하고 유한요소해와 비교한다. The main goal of this study is to develop MATLAB programming for an analysis of distortional deformations and stresses of the straight box girder. For this purpose, a distortional deformation theory is firstly summarized and then a BEF (Beam on Elastic Foundation) theory is presented using analogy of the corresponding variables. Finally, with governing equations of the beam-column element on elastic foundation, an exact element stiffness matrix of the beam element and nodal forces equivalent to concentrated and distributed loads are evaluated via a generalized linear eigenvalue problem. In order to verify the efficiency and accuracy of this method, distortional stresses of box girders with multiple diaphragms are presented and compared with results by FEA.

      • KCI등재

        유한요소법에 의한 직방성재료 내 균열의 응력확대계수 결정

        한국전산구조공학회 한국전산구조공학회 2004 한국전산구조공학회논문집 Vol.17 No.1

        응력확대계수는 균열진전경로의 수치해석적 연구에서 널리 사용되고 있다. 그러나 많은 경우에서 균열선단주위 응력의 급수전개식 중 이어지는 항은 정량적으로 중요하다. 따라서 본 연구에서는 이의 항을 계산하기 위하여 등매개 2차특이요소를 이용한 유한요소해석을 수행하였다. 일례로 단축하중을 받는 무한 직방성체 내 경사균열에 대하여 균열요소크기와 균열경사각을 달리 주어 가며 해석을 수행하였으며, 수치해석결과는 이론해와 비교하여 잘 일치하고 있다. The stress intensity factors have been widely used in numerical studies of crack growth direction. However in many cases, omissive terms of the series expansion are quantitatively significant, so we consider the computation of such terms. For this purpose, we used the finite element method with isoparametric quadratic quarter-point elements. For examples, infinite square plate with a slant crack subjected to a uniaxial load is analyzed. The numerical analysis were performed for the wide range of crack tip element lengths and inclined angles. The numerical results obtained are compared with the theoretical solutions. Also they were accurate and efficient

      • KCI등재

        Path-Integral Solution을 이용한 랜덤동요된 조화가진력을 받는 임팩트시스템의 거동분석

        한국전산구조공학회 한국전산구조공학회 2004 한국전산구조공학회논문집 Vol.17 No.1

        랜덤동요된 조화가진력을 받는 임팩트시스템의 비선형거동을 개발된 반해석적절차에 의해 확률영역에서 분석하였다. 반해석적절차는 path-integral solution을 이용하여 임팩트시스템의 추계론적 미분방정식으로부터 구함으로 얻어진다. 결합확률밀도함수의 전개를 구하고 시스템의 비선형거동 특성인 혼돈거동에 대하여 분석하고 노이즈의 영향을 시간영역과 확률영역에서 알아보았다. 결과로부터 반해석적절차는 결합확률밀도함수를 통하여 임팩트시스템의 거동에 대한 정보를 제공하는 것을 알 수 있었다. 노이즈의 영향은 혼돈거동의 특성을 약화시키며 궁극적으로 사라지게 함을 알 수 있었으며 또한 혼돈거동의 특성이 상대적으로 높은 노이즈아래에서도 남아있는 것을 밝혔다. 결합확률밀도함수는 응답앙상블이 약정상과정임을 확인시켜 주었다. Nonlinear system responses of an impact system under randomly perturbed harmonic excitations are predicted in the probability domain by adopting the semi-analytical procedure previously developed. The semi-analytical procedure is obtained by solving the Fokker-Planck equation corresponding to the stochastic differential equation of the given impact system by utilizing the path-integral solution. The evolutionary joint probability density functions are generated by using the method, and the characteristics of nonlinear dynamic response behaviors of the system are examined. Noise effects on the responses are also examined. It Is found that the semi-analytical method can provides the accurate information of the responses via the joint probability functions for the impact system. It is found that the noises weaken and eventually terminate the chaos in the responses, but it is also found that the chaotic signatures reside in the presence of the external noise with relatively high intensity. The joint probability density function shows that the ensemble of the system responses are weakly stationary.

      • 구조해석 및 설계용 프로그램의 현황조사

        한국전산구조공학회 한국전산구조공학회 1990 전산구조공학 Vol.3 No.2

        구조해석 및 설계분야에서의 컴퓨터 이용은 이미 일반화 되어 수많은 프로그램들이 개발되어 사용되고 있다. 70년대 초에 SAP, NASTRAN 같은 범용 해석프로그램이 개발되어 보급되면서, 구조해석 및 설계업무에서의 컴퓨터의 이용은 확산되었다. 이제는 국내의 소규모의 용역회사나 설계사무소에서도 컴퓨터를 이용하여 구조해석 및 설계를 하는 것이 상당히 보편화되었다고 할 수 있다. 구조해석 및 설계에 사용되는 컴퓨터프로그램은 SAP, STRUDUL 같은 대형 범용 프로그램에서부터 특수한 구조물을 해석 또는 설계하기 위하여 개발된 전용 프로그램까지 매우 다양하다. 또한 수많은 프로그램들이 개발되었기 때문에, 자기에게 당면해 있는 문제를 해결하기 위하여 기존의 프로그램 중 어떤 것을 선택하는 것이 가장 효율적인 것인가, 또는 새로운 프로그램을 개발해양 하는 것인가를 결정하기 어려운 경우가 많다. 이러한 관점에서 국내에서 현재 사용 또는 판매되고 있는 구조해석 및 설계용 프로그램의 현황을 조사하여, 그 결과를 정리하였다.

      • KCI등재

        사고로 지면으로 추락낙하 충돌하는 고준위폐기물 처분용기에 대한 기구동역학 해석: 이론

        한국전산구조공학회 한국전산구조공학회 2013 한국전산구조공학회논문집 Vol.26 No.5

        본 논문은 두 편으로 구성된 사고로 지면에 추락낙하 충돌하는 고준위폐기물 처분용기에 대한 기구동역학 해석 논문 중 첫 번째 논문으로 기구동역학 해석에 대한 일반 이론연구를 수행하였다. 이를 통하여 고준위폐기물 처분용기의 구조 안전성 설계에 요구되는 처분용기 처분 시 사고로 추락낙하 하여 지면과 충돌하는 경우 처분용기에 가해지는 충격력을 이론적으로 구하고자 하였다. 이론 연구의 주된 내용은 다물체 동역학의 운동방정식에 관한 것이며 이를 토대로 다물체간 충돌 시 발생하는 충격력을 구하는 문제를 이론적으로 다루었다. 이렇게 이론적으로 구한 충격력을 처분장에서 처분용기 운송 시 운반차량에서 사고로 추락낙하 하여 지면과 충돌하는 처분용기에 발생하는 충격력을 구하는 문제에의 적용을 검토하였다. This paper is the first paper among two papers which constitute the paper about the rigid body dynamic analysis on the spent nuclear disposal canister under accidental drop and impact on to the ground. This paper performed the general theoretical study on the rigid body dynamic analysis. Through this study the impulsive force which is occurring in the spent nuclear fuel disposal canister under accidental drop and impact to the ground and required for the structural safety design of the canister is intended to be theoretically formulated. The main content of the theoretical study is about the equation of motion in the multibody dynamics. On the basis of this study the impulsive force which is occurring in the multibody in the case of collision between multibody is theoretically formulated. The application of this theoretically formulated impulsive force to computing the impulsive force occurring in the spent nuclear fuel disposal canister under accidental drop and impact to the ground is investigated.

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