실험계획법을 이용한 해양플랜트 플로트오버 설치 작업용 능동형 DSF의 구조설계 민감도 해석

김훈관,송창용,이강수 중소기업융합학회 2021 융합정보논문지 Vol.11 No.2

본 연구에서는 해양플랜트의 플로트오버 설치작업을 위해 개발된 능동형 갑판 지지 프레임 (Deck support frame, DSF)의 구조설계에 대해 다양한 실험계획법을 이용한 민감도해석의 비교연구를 수행하였다. 능동형 DSF의 주요 구조부재의 두께 치수 변수는 설계인자로 고려하였고, 응답치는 중량과 강도성능으로부터 선정하였다. 민감도해석의 비교연구에 사용한 실험계획법은 직교배열설계법, Box-Behnken 설계법 그리고 Latin hypercube 설계법이다. 실험계획법의 설계공간 탐색의 근사화 성능을 평가하기 위해 반응표면법을 각 실험계획법 별로 생성하여 근사화 정확도 특성을 검토하였다. 또한 최상설계안 의 결과로부터 실험계획법의 특성에 따른 수치계산 비용, 중량감소 효과 등과 같은 설계향상 효과를 비교하였다. 능동형 DSF의 구조설계에 대해 직교배열설계법이 가장 향상된 결과를 나타내었다. The paper deals with comparative study on sensitivity analysis using various methods regarding to design of experiments for structure design of an active type DSF (Deck support frame) that was developed for float-over installation of offshore plant. The thickness sizing variables of structure member of the active type DSF were considered the design factors. The output responses were defined from the weight and the strength performances. Various methods such as orthogonal array design, Box-Behnken design, and Latin hypercube design were applied to the comparative study. In order to evaluate the approximation performance of the design space exploration according to the design of experiments, response surface method was generated for each design of experiment, and the accuracy characteristics of the approximation were reviewed. The design enhancement results such as numerical costs, weight minimization, etc. via the design of experiment methods were compared to the results of the best design. The orthogonal array design method represented the most improved results for the structure design of the active type DSF.

D-optimal을 이용한 실험계획법 기반 풍동실험

진현,이돈구,안재명,오세윤 한국항공우주학회 2014 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2014 No.11

실험계획법을 기반으로 한 공력계수를 측정하는 풍동실험을 수행하였다. 본 실험은 KF-16 의 1/33 scale 모델로 수행되었으며 3 개의 요인에 해당하는 받음각과 옆미끄럼각, 승강키를 3 개의 수준으로 실험하였다. 풍동실험을 수행한 실험점은 D-optimal 실험계획법을 이용하여 추출하였다. 또한 실험을 수행하면서 완전 랜덤화하기 힘든 부분은 분할법을 사용함으로써 부분적으로 랜덤화하였다. 결과적으로, D-optimal 을 통해 추출한 적은 개수의 실험점으로도 충분히 정확한 공력모델을 얻을 수 있었다. 이를 통해, D-optimal 을 적용함으로써 시간과 비용이 많이 드는 풍동실험을 좀 더 효율적으로 수행할 수 있음을 확인할 수 있었다. Wind tunnel testing based on Design of Experiments was performed. The model of the test is KF-16 scaled 1/33, and the testing is three factors three levels test. Three factors are angle of attack, angle of sideslip, and elevator. The design points were extracted by D-optimal design. Some design points are so difficult to completely do randomization, so the parts partly did randomization by using split-plot design. As a result, the testing using only a few design points extracted by D-optimal design could obtain reasonably accurate models of aerodynamic coefficients. By using Doptimal design, Wind tunnel testing spending much time and costs could be performed much efficiently.

실험계획법을 활용한 풍동실험의 효율성 및 생산성 향상에 관한 연구

고현준,박성연,김재우,권기범 한국항공우주학회 2015 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2015 No.11

풍동실험에 소요되는 시간과 비용을 절감하고자 적은 수의 풍동실험 결과를 가지고 실험계획법(Design of Experiment, DOE)을 이용하여 생성한 공력반응모델이 기존의 OFAT(One Factor At a Time) 방식의 실험을 통해 획득되는 공력계수 예측에 적합한지를 판단하고 이러한 모델의 활용 가능성에 대한 연구를 수행하였다. 1차적으로 받음각, 옆미끄럼각, 유속을 실험변수로 설정하여 실험하고, Effect Screening Test를 통해 유속을 변수에서 제외하였다. 실험계획법으로 라틴정방설계법(Latin Hypercube Design, LHD)과 중심합성설계법(Central Composite Design)을 사용하여 실험을 계획하였고 반응모델로는 반응표면모델과 인공신경망모델이 고려되었으나 검증 결과 인공신경망모델의 정확성이 더 높다고 판단하여 인공신경망 모델을 채택하였다. 기존의 OFAT 방식으로 수행한 풍동실험으로 얻은 T-50 축소모형의 데이터와 인공신경망모델의 예측값을 비교하여 해당 모델이 공력계수 예측에 적합한지 판단하고 실험계획법이 풍동실험의 효율성과 생산성 향상에 기여할 수 있는 가능성을 분석하였다. A study is conducted to decide suitability of prediction model for estimating aerodynamic coefficients created by using DOE(Design Of Experiment) to reduce time and cost in wind tunnel tests. First, angle of attack, side slip angle, and flow velocity are selected as test variables and flow velocity is excluded after effect screening test. LHD(Latin Hypercube Design) and CCD(Central Composite Design) are used for designing the experiment. In order to create the metamodel, NN(Neural Network) model is chosen because it is more accurate than RSM(Response Surface Model) in prediction accuracy. The test data of T-50 5% model acquired by usual OFAT(One Factor At a Time) is compared with the prediction values estimated by NN prediction model. The adequacy and applicability of the model is analyzed to show the possibility of improvement in efficiency and productivity of wind tunnel tests using DOE.

해양플랜트 플로트오버 설치 공법용 수동형 갑판 지지 프레임의 최소중량설계와 민감도 평가를 위한 실험계획법 응용

김훈관,이강수,송창용 해양환경안전학회 2021 해양환경안전학회지 Vol.27 No.1

본 연구에서는 20,000 톤급 해양플랜트 상부구조물(Topside)의 플로트오버 설치작업을 위해 개발된 수동형 갑판 지지 프레임 (Deck support frame)의 구조설계에 대해 다양한 실험계획법을 이용한 최소중량설계와 민감도 평가의 비교연구를 수행하였다. 수동형 갑판 지지 프레임의 주요 구조부재의 두께 치수 변수는 설계인자로 고려하였고, 응답치는 중량과 강도성능으로 선정하였다. 최소중량설계와 민감도 평가의 비교연구에 사용한 실험계획법은 직교배열설계법, Box-Behnken 설계법, 그리고 Latin hypercube 설계법이다. 실험계획법의 설계공간 탐색의 근사화 성능을 평가하기 위해 반응표면법을 각 실험계획법 별로 생성하여 근사화 정확도 특성을 검토하였다. 또한 최소 중량설계를 위해 최상 설계안의 결과로 부터 실험계획법의 특성에 따른 수치계산 비용, 중량감소 효과 등을 평가하였다. 수동형 갑판 지지 프레임의 구조설계에 대해 Box-Behnken 설계법이 가장 적합한 설계 결과를 나타내었다. This paper presents the findings of a comparative study on minimum weight design and sensitivity evaluation using different experimental design methods for the structural design of an active-type deck support frame (DSF) developed for the float-over installation of an offshore plant topside. The thickness sizing variables of the structural members of a passive-type DSF were considered the design factors, and the output responses were defined using the weight and strength performances. The design of the experimental methods applied in the comparative study of the minimum weight design and the sensitivity evaluation were the orthogonal array design, Box– Behnken design, and Latin hypercube design. A response surface method was generated for each design of the experiment to evaluate the approximation performance of the design space exploration according to the experimental design, and the accuracy characteristics of the approximation were reviewed. Regarding the minimum weight design, the design results, such as numerical costs and weight minimization, of the experimental design for the best design case, were evaluated. The Box– Behnken design method showed the optimum design results for the structural design of the passive-type DSF.

Box-willson 실험계획법 기반 고강도 자기충전형 콘크리트의 최적설계방법

도정윤,김두기 한국구조물진단유지관리공학회 2015 한국구조물진단유지관리공학회 논문집 Vol.19 No.5

Box-Wilson experimental design method, known as central composite design, is the design of any information-gathering exercises where variation is present. This method was devised to gather as much data as possible in spite of the low design cost. This method was employed to model the effect of mixing factors on several performances of 60 MPa high strength self compacting concrete and to numerically calculate the optimal mix proportion. The nonlinear relations between factors and responses of HSSCC were approximated in the form of second order polynomial equation. In order to characterize five performances like compressive strength, passing ability, segregation resistance, manufacturing cost and density depending on five factors like water-binder ratio, cement content, fine aggregate percentage, fly ash content and superplasticizer content, the experiments were made at the total 52 experimental points composed of 32 factorial points, 10 axial points and 10 center points. The study results showed that Box-Wilson experimental design was really effective in designing the experiments and analyzing the relation between factor and response. Box-Wilson 실험계획법은 보통 중심합성계획법으로 알려져 있으며, 변동성이 존재하는 정보를 실험 계획적 방법으로 수집하는 설계 기법이다. 이 방법은 최소의 설계비용으로 가능한 많은 정보를 얻는 목적으로 고안되었다. 본 연구에서는 60 MPa급 고강도 자기충전형 콘크리트(HSSCC)를 대상으로 다양한 성능에 대한 여러 배합인자들의 효과를 효율적으로 파악하고 최적배합을 찾는 과정에 이 방법을 적용하였다. HSSCC의 배합인자(요인)와 물리적 성능(반응) 사이의 비선형적 관계는 2차 다항식으로 반응표면을 근사화 모델링하였으며, 요인점=25=32개, 축점=2k=10개, 중심점은 각 축에서 2번 씩 10개, 총 52개의 실험점에서 물시멘트비, 단위시멘트량, 잔골재비, 단위플라이애쉬량, 단위고성능감수량의 총 5개의 인자에 따른 압축강도, 통과능력, 재료분리저항성, 제조비용, 밀도 등의 총 5개의 반응을 파악하기 위한 실험이실시되었다. 연구의 결과 Box-Wilson 실험계획법은 배합인자와 반응 사이의 관계를 과학적인 방법으로 계획하고 객관적으로 해석하는 데 매우 효과적이었으며, 수치해석적인 방법으로 최적배합을 계산할 수 있었다.

부분공간 및 중심합성계획법을 이용한 실험설계법 기반 공력계수 측정 풍동실험

이돈구,안재명,오세윤 한국항공우주학회 2013 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2013 No.11

실험설계법을 기반으로 한 기체의 공력계수 모델링을 위한 풍동실험을 수행하였다. 공력계수가 가진 비선형성을 정확히 모델링하기 위해서 전체 실험 구간을 여러 개의 부분공간으로 나누어 각 부분공간에서의 비선형성을 최소화 하였다. 부분공간을 나누기 위한 사전 스크리닝 실험 및 모델의 적합도 검정을 위한 공력 데이터 구축 실험이 진행되었고, 받음각을 기준으로 총 3 개의 부분공간에서 실험이 진행되었다. 각 부분공간에서는 중심합성계획법(CCD)을 적용하여 실험점을 선택하였다. 도출된 반응표면을 실제 공력 데이터와 비교해보고 적은 실험 횟수로 적합한 공력계수 모델링이 도출 되었음을 확인할 수 있었다. Wind tunnel testing for modeling aerodynamic force and moment coefficients of flying wing based on design of experiment performed. Since the coefficients have nonlinear property, test region is divided into subspaces result in minimized nonlinearity in each subspace. Pretest for screening whole test region and getting aerodynamic force and moment coefficients data for qualify response surface model performed. Three subspaces are decided according to angle of attack. In each subspace, central composite design is applied to select minimized number of test points. Resulting response surface model is compared to measured coefficients data finding out coefficients modeling with reduced test points is well derived.

핀란드의 기본소득 실험-계획과 중간평가

김도훈 한국사회보장법학회 2019 사회보장법학 Vol.8 No.2

As a member of northern European countries with the most advanced welfare system in the world, Finland established social security system a so-called Nordic model, but with severe economic crisis of the 1990s and recession of the 2010s it has searched for alternatives to the existing welfare system. One of them is basic income, which is beyond existing workfare system. Basic income can be designed in various ways from the rightist view to overcome welfare traps under the existing workfare system, strengthen labor incentives and to the leftist view to promote the decommodification of labor force and realize liberating goal to be rid of forced labor. Finland's discussion on basic income has been led by the center-right party, Central Party, and discourse on labor market activation, rightist view has been the mainstream of policy. This influenced the direction of basic income experiment in Finland to reduce welfare expenditures, reinforce employment incentives, increase employment rates and simplify social security system. Under the ruling Central Party, the Finnish government announced that they would randomly select some of the people receiving unemployment benefits or labor market subsidy in 2016 and pay €560(￦700,000) per month for two years from the early of 2017 to the end of 2018, followed by that Basic Income Act was enacted. The preliminary report on the results of 2017, the first half of these two-year basic income experiment, was released in February 2019. The report analyzed the outcome variables of the experiments on employment status, social security benefits, attitudes towards basic income, and effects of various wellbeing indicators. According to the report, the basic income payment for one year did not make difference in particular in employment status, amount of social security payments decreased, attitude toward basic income became more positive, and various indicators of wellbeing improved. However, experimental period, basic income amount paid, and target group have been so reduced from the original plan due to budget, legal and political constraints, that this experiment has been considered insufficient in many aspects to measure the effect of basic income. Also, such as the assessment that ‘basic income’ in this experiment does not have ‘unconditionality’, which is an important element of basic income, the comment that it is similar to negative income tax or earned income tax credit, and the problem that employment rate can’t increase significantly during this one or two year period without improvement of economic indicators under recession, various criticisms can be raised on the validity and reliability of the experiment in terms of the intrinsic characteristics and external environmental variables of the experiment itself. But this report is only a preliminary report that covers only one year of change, so it will be possible to evaluate the results of this experiment more concretely in the spring of 2020, when the final results are produced. 핀란드는 세계에서 가장 선진적인 복지체계를 갖는 북유럽 국가의 일원으로서 이른 바 ‘노르딕 모델’이라 불리는 사회보장제도를 구축하였으나, 1990년대의 심각한 경제위기와 2010년대의 경기침체를 겪으며 기존 복지제도의 대안을 모색하게 된다. 그 중의 하나가 기존의 노동연계복지 복지체제에서 벗어난 기본소득이다. 기본소득은 기존의 노동연계복지가 지닌 복지함정을 타파하고 노동유인을 강화하기 위한 우파적 관점과 노동력의 탈상품화를 도모하고 강제된 노동을 탈피하기 위한 해방적 목표를 실현하기 위한 좌파적 관점 등 다양한 방식으로 설계될 수 있다. 핀란드의 기본소득 논의는 중도우파 정당인 중도당이 주도권을 잡고 정책을 진행해왔으며, 그에 따라 우파적 관점인 노동시장 활성화 담론이 정책적 측면에서 주류적 관점이 되었다. 이는 핀란드의 기본소득 실험이 복지지출을 삭감하고, 근로유인을 강화하여 고용률을 높이며, 사회보장제도를 단순화하는 방향성으로 진행되는 것에 영향을 미쳤다. 중도당 집권 하의 핀란드 정부는 2016년에 실업수당이나 노동시장보조금을 받는 국민 중 일부를 무작위로 선발해 2017년 초부터 2018년 말까지 2년 동안 월 €560(약 70 만원)를 지급하는 기본소득 실험을 시행한다고 밝혔고, 이어 실험 내용을 구체화한 법안인 「기본소득법」이 제정되었다. 이러한 2년 간의 기본소득 실험 중 전반기인 2017년의 실험 결과를 다룬 예비결과보고서가 2019년 2월에 공개되었다. 보고서는 해당 실험의 결과변수를 고용상태와 각종 사회보장급여, 기본소득에 대한 태도 및 각종 행복감 지표에 미치는 영향 등으로 분석하였다. 보고서에 따르면 1년 간의 기본소득 지급으로 인해 고용상태에는 별다른 차이가 발생하지 않았고 사회보장급여 지급액은 감소하였으며, 기본소득에 대한 태도는 보다 긍정적으로 되었고, 각종 행복감 지표는 어느 정도 개선되었다. 그러나 본 실험은 예산, 법률, 정치적 제약으로 인해 실험기간, 기본소득액, 대상집단이 본래의 계획보다 축소되었고, 이로 인해 기본소득의 효과를 측정하기에는 여러 가지 측면에서 부족하다는 평가가 많다. 또한 이 실험에서의 ‘기본소득’이 기본소득의 중요한 요소인 ‘무조건성’을 갖고 있지 않다는 평가, 부의 소득세나 근로장려세 제와 비슷하다는 지적, 경기침체로 인한 경제지표가 개선되지 않은 상태에서 고용률이 1~2년의 기간 동안 유의미하게 증가할 수 없다는 문제 등 본 실험 자체가 갖고 있는 내재적 특성과 외재적 환경변수 측면에서 실험의 타당성과 신뢰성에 대해 다양한 비판이 제기될 수 있다. 다만 이번 보고서는 1년 간의 변화만 다룬 예비결과보고서이기에 최종적 결과가 나오는 2020년 봄이 되면 본 실험의 성과에 대해 보다 구체적으로 평가할 수 있을 것이다.

Box-willson 실험계획법 기반 고강도 자기충전형 콘크리트의 최적설계방법

도정윤,김두기 한국구조물진단유지관리공학회 2015 한국구조물진단유지관리공학회 논문집 Vol.19 No.5

Box-Wilson 실험계획법은 보통 중심합성계획법으로 알려져 있으며, 변동성이 존재하는 정보를 실험 계획적 방법으로 수집하는 설계 기법이다. 이 방법은 최소의 설계비용으로 가능한 많은 정보를 얻는 목적으로 고안되었다. 본 연구에서는 60 MPa급 고강도 자기충전형 콘크리트(HSSCC)를 대상으로 다양한 성능에 대한 여러 배합인자들의 효과를 효율적으로 파악하고 최적배합을 찾는 과정에 이 방법을 적용하였다. HSSCC의 배합인자(요인)와 물리적 성능(반응) 사이의 비선형적 관계는 2차 다항식으로 반응표면을 근사화 모델링하였으며, 요인점=25=32개, 축점=2k=10개, 중심점은 각 축에서 2번 씩 10개, 총 52개의 실험점에서 물시멘트비, 단위시멘트량, 잔골재비, 단위플라이애쉬량, 단위고성능감수량의 총 5개의 인자에 따른 압축강도, 통과능력, 재료분리저항성, 제조비용, 밀도 등의 총 5개의 반응을 파악하기 위한 실험이 실시되었다. 연구의 결과 Box-Wilson 실험계획법은 배합인자와 반응 사이의 관계를 과학적인 방법으로 계획하고 객관적으로 해석하는 데 매우 효과적이었으며, 수치해석적인 방법으로 최적배합을 계산할 수 있었다. Box-Wilson experimental design method, known as central composite design, is the design of any information-gathering exercises where variation is present. This method was devised to gather as much data as possible in spite of the low design cost. This method was employed to model the effect of mixing factors on several performances of 60 MPa high strength self compacting concrete and to numerically calculate the optimal mix proportion. The nonlinear relations between factors and responses of HSSCC were approximated in the form of second order polynomial equation. In order to characterize five performances like compressive strength, passing ability, segregation resistance, manufacturing cost and density depending on five factors like water-binder ratio, cement content, fine aggregate percentage, fly ash content and superplasticizer content, the experiments were made at the total 52 experimental points composed of 32 factorial points, 10 axial points and 10 center points. The study results showed that Box-Wilson experimental design was really effective in designing the experiments and analyzing the relation between factor and response.

센터 필라트림의 FMH 충격성능 향상을 위한 순차적 실험계획법과 인공신경망 기반의 최적설계

이정환(Jung Hwan Lee),서명원(Myung Won Suh) 대한기계학회 2013 大韓機械學會論文集A Vol.37 No.11

본 연구에서 탑승자 머리 보호를 위한 센터 필라 트림의 리브 패턴 최적설계는 두 가지 방법에 의해 수행된다. 첫째는 실험계획법과 반응표면법을 이용한 근사최적화 기법으로써, 상대적으로 큰 비중을 차지하는 해석비용 저감을 위하여 근사모델 구성에 필요한 최소한의 해석만을 수행하고 실제 최적화 과정에는 구성된 모델을 이용함으로써 근사적으로 최적 점을 찾아가는 방법이다. 하지만 이러한 방법은 시행착오적인 반복과정을 거쳐야 하는 단점이 있다. 따라서 저자들의 선행연구에서 제안한 순차적 실험계획법과 인공신경망을 이용하여 인자의 상한 또는 하한에 걸리지 않는 근사최적 해를 체계적인 반복과정을 통해 도출하고자 하며, 이를 수학적인 예제와 구조물 문제에 적용함으로써 실용성을 확인하고자 한다. The optimal rib pattern design of B-pillar trim considering occupant head protection can be determined by two methods. One is the conventional approximate optimization method that uses the statistical design of experiments (DOE) and response surface method (RSM). Generally, approximated optimum results are obtained through the iterative process by trial-and-error. The quality of results strongly depends on the factors and levels assigned by a designer. The other is a methodology derived from previous work by the authors, called the sequential design of experiments (SDOE), to reduce the trial-and-error procedure and to find an appropriate condition for using artificial neural network (ANN) systematically. An appropriate condition is determined from the iterative process based on the analysis of means. With this new technique and ANN, it is possible to find an optimum design accurately and efficiently.

최대엔트로피 실험계획에서 상관함수의 영향

김승원(Seung Won Kim),정재준(Jae Jun Jung),이태희(Tae Hee Lee) 대한기계학회 2005 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2005 No.5

A simulation model for multi-physics such as structural analysis, crash analysis and dynamic analysis has been widely used in practical engineering design in order to predict responses numerically. In spite of the usefulness of the simulation model, it is often expensive and time consuming as the simulation model becomes complicate to achieve reliable results. Therefore, it cannot be adequate for the high-fidelity simulation model to be directly applied in optimization process. To resolve the difficulty, the high fidelity simulation model can be replaced by an approximate model, the so-called metamodel. Varieties of meta-modeling techniques have been developed such as response surface model, kriging model, and radial basis function. Recently kriging model has been widely used in the DACE(Design and Analysis of Computer Experiment) because it can approximate nonlinear response very well. Since DACE has no random errors or measurement errors contrast to classical design of experiment, space filling experimental design that distributes design points uniformly over total design space should be employed as a sampling method. In this paper, we examine the maximum entropy experimental design that reveals the space filling strategy. Gaussian and exponential correlation functions are adopted to define the entropy criteria in the maximum entropy experimental design. The influence of these two correlation functions on space filling design and their model parameters are investigated. Based on the exploration of numerous numerical tests, enhanced maximum entropy experimental design is suggested.