다단 최적 설계 프레임워크를 활용한 전기추진 항공기 프로펠러 공력 최적 설계

권형일(Hyung-Il Kwon),이슬기(Seul-Gi Yi),최성임(Seongim Choi),김근배(Keunbae Kim) 한국항공우주학회 2013 韓國航空宇宙學會誌 Vol.41 No.3

본 연구에서는 프로펠러나 헬리콥터 로터와 같은 회전체의 공력 최적 설계를 위한 다단 최적 설계 프레임워크를 제안한다. 이 프레임워크는 플랜폼 설계와 단면의 형상 설계를 반복적으로 수행하는 설계 전략을 통해 회전체의 공력 성능 향상을 목표로 한다. 플랜폼 설계의 단계에서는 유전 알고리즘과 2차원 CFD 데이터베이스 기반의 깃 요소 모멘텀 이론을 이용하여 빠른 시간에 회전체의 공력 특성을 평가하여 최적점을 탐색하였다. 플랜폼 설계 후 단면에 유입되는 유동 조건을 예측하여 단면 형상 최적 설계를 수행하였다. 설계 과정에서 보다 면밀하게 유동 특성이 분석될 수 있도록 2차원 N-S 해석자와 민감도 기반의 최적화 알고리즘을 통해 최적해를 탐색하였다. 단면 형상이 설계된 후에 는 최적의 유동 조건을 산출할 수 있도록 플랜폼 설계를 반복적으로 수행하였다. 본 프레임워크를 1㎾급 전기추진용 항공기 프로펠러 설계에 적용하여 그 유효성을 3차 원 N-S 해석과 풍동 실험을 통해 검증하였다. 설계 후, 풍동 실험 결과를 기준으로 약 5%의 프로펠러 효율 증가를 얻을 수 있었다. A multi-level design optimization framework for aerodynamic design of rotary wing such as propeller and helicopter rotor blades is presented in this study. Strategy of the proposed framework is to enhance aerodynamic performance by sequentially applying the planform and sectional design optimization. In the first level of a planform design, we used a genetic algorithm and blade element momentum theory (BEMT) based on two-dimensional aerodynamic database to find optimal planform variables. After an initial planform design, local flow conditions of blade sections are analyzed using high-fidelity CFD methods. During the next level, a sectional design optimization is conducted using two dimensional Navier-Stokes analysis and a gradient based optimization algorithm. When optimal airfoil shape is determined at the several spanwise locations, a planform design is performed again. Through this iterative design process, not only an optimal flow condition but also an optimal shape of an EAV propeller blade is obtained. To validate the optimized propeller-blade design, it is tested in wind-tunnel facility with different flow conditions. An efficiency, which is slightly less than the expected improvement of 7% predicted by our proposed design framework but is still satisfactory to enhance the aerodynamic performance of EAV system.

다단 설계 프레임워크를 이용한 프로펠러 공력 형상 최적 설계

권형일,이슬기,최성임,김근배 한국항공우주학회 2012 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2012 No.11

본 연구에서는 프로펠러나 헬리콥터 로터와 같은 회전체의 공력 최적 설계를 위한 다단 최적 설계 프레임워크를 제안한다. 이 프레임워크는 플랜폼 설계와 단면의 형상 설계를 반복적으로 수행하는 설계 전략을 기반으로 로터의 성능 향상을 목표로 한다. 플랜폼 설계의 단계에서는 유전 알고리즘과 2차원 CFD 데이터베이스 기반의 깃 요소 모멘텀 이론을 이용하여 빠른 시간에 회전체의 공력 특성을 평가하여 최적점을 탐색하였다. 플랜폼이 설계된 후 단면의 지역 유동 조건을 계산하여 단면 최적 설계를 수행하였다. 보다 면밀히 유동 특성을 분석할 수 있도록 2차원 N-S 해석자와 민감도 기반의 최적화 알고리즘을 통해 최적해를 탐색하였다. 단면의 형상이 설계된 후에는 최적의 유동 조건을 산출할 수 있도록 플랜폼 설계를 반복적으로 수행하였다. 최종 형상은 3차원 N-S 해석을 통해 검증하여 그 유효성을 판단한다. 이러한 방법론에 기반한 다단 최적 설계 프레임워크를 전기추진체용 프로펠러 설계에 적용하여 약 8%의 효율 증가를 얻었다. In this study, we present that multi-stage design framework for aerodynamic design optimization of rotary wing such as propeller and helicopter rotor blades. Strategy of the proposed framework is to enhance aerodynamic performance using both planform and sectional design optimization iteratively. In first stage of planform design, we used genetic algorithm and blade element momentum theory(BEMT) based on two dimensional aerodynamic database to find optimal planform variables in short time. After initial design, local flow conditions of blade sections are calculated. Next stage, sectional design optimization is conducted using two dimensional Navier-Stokes’ analysis and gradient based optimization algorithm. When optimal shapes are determined, planform design is performed again. Through the iterative design process, not only optimal flow condition but also optimal shape could be acquired. To validate the framework, design optimization for propeller which operated in electric aerial vehicle system were performed. As a results, about 8% of efficiency enhancement has acquired.

설계해석자를 위한 위상최적화 솔루션 HyperShape를 이용한 KTX 살사브라켓 최적설계

조연호(Cho yonho),윤우혁(Yoon woohyuck),이원상(Lee wonsang),홍상렬(Hong sangryel) 한국철도학회 2013 한국철도학회 학술발표대회논문집 Vol.2013 No.5

최근에는 설계 해석자를 위한 각종 솔루션들이 제공되고 있어 설계단계에서 완성도가 높은 설계가 가능해지고 있다. 본 논문에서 적용한 위상최적화 솔루션 HyperShape는 초기 설계 단계부터 최적 설계에 대한 방향성을 제시해 주고 있어 현업에서 매우 유용하게 적용될 것으로 기대되고 있다. 위상 최적화를 초기 설계 단계에서 적용하기 위한 대상으로 KTX에 장착된 살사 브라켓을 선택하였다. 살사 브라켓의 강도 문제와 결합상의 단점을 개선하기 위해 수 차례의 시행착오를 통한 설계변경을 거치며 최적화 되었던 모델을 대상으로 HyperShape를 적용한 최적 설계를 수행하였다. 살사 브라켓의 최적 설계안을 도출하여 중량을 줄이고 강도를 향상시킨 설계안을 도출하였으며, 경험적으로 설계된 최적모델과 비교 평가를 통해 설계 단계에서의 위상 최적화 솔루션 적용의 가능성을 확인하였다. Recently, due to the powerful engineering software for design-analysist, highly performed design is available at the preliminary design stage. In this paper, the topology optimizes solution; HyperShape shows the directions about optimal design to field engineers. This method is expected for high performance of design maturity. Sand spray bracket of KTX is subjected to apply the topology optimize method using HyperShape at the preliminary design stage. Design optimize is accomplished by several try and error to improve the strength and assemble problems. HyperShape make the optimal design which reduced weight and reinforced strength. A comparative study about analytic model and empirical model shows the efficiency and availability of topology optimal method using HyperShape at the beginning stage of design.

항공기날개형상설계를 위한 distributed design의 적용

김태희,최성임 한국항공우주학회 2013 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2013 No.11

항공기는 연관된 매우 많은 하위 시스템들로 이루어져 있기 때문에 이에 대한 설계는 매우 어려운 일이다. 그러므로 항공기 설계에 있어 각 분야들을 따로 생각하는 것은 의미가 없으며 이들에 대한 연관성을 고려하여 통합적인 해석이 매우 중요하다. 다분야 최적설계는 이러한 문제들을 해결하는 방법론으로서 최근 많은 연구가 진행되고 있다. 본 연구의 목적은 다분야 최적설계 방법론을 항공기 날개 설계에 적용해 보는 것이다. Distributed design은 다분야 최적설계의 한 방법으로서 전체 문제를 상위수준과 하위수준으로 나누어 각 분야에 독립적인 역할을 부여하는 방법이다. Collaborative Optimization(CO)와 Concurrent Sub-Space Optimization(CSSO)는 distributed design의 일종으로 서로 다른 형태와 특성을 가지고 있다. 본 연구에서는 간단한 예제를 통해 CO와 CSSO의 장단점을 알아보고 이를 항공기 날개 형상 설계에 적용해보기로 한다. Aircraft design needs considerable effect because aircraft is composed of many subsystem which are highly coupled. Therefore, decoupled analysis of an aircraft design is meaningless and it is important to perform an integrated analysis. A multidisciplinary Design Optimization(MDO) is methodology that tries to solve those issues and many researches are performed recently. The purpose of this study is application of MDO to aircraft wing design. A distributed design which is one of MDO divides the aircraft system into system and subspace levels and distributes independent role to each discipline. Collaborative Optimization(CO) and Concurrent Sub-Space Optimization(CSSO) are kinds of distributed design which have different formulations and characteristics. In current study, we compare CO and CSSO about their advantages and weakness through analytic function and they are applied to aircraft wing shape design.

표준정규분포를 고려한 반응표면모델 기반 디스크 브레이크의 강건최적설계

이광기(Kwang Ki Lee),이용범(Yong Bum Lee),한승호(Seung Ho Han) 대한기계학회 2010 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2010 No.5

복잡한 시스템 계의 설계정보를 효과적으로 추출하기 위해서 형상최적설계가 수행되는 경우, 일반적으로 유한요소해석 기법과 D-최적배열을 이용한 실험계획법이 연동된 반응표면모델을 구성하고 여기에 최적설계기법이 적용된다. 그러나, 설계변수에 형상공차와 같은 변동성이 존재하면 최적해의 강건성 확보를 위하여 설계변수의 형상공차를 확률론적인 변동성으로 고려한 추가적인 강건설계가 필요하다. 본 연구에서는 계산시간이 많이 소요되는 유한요소해석에 의한 강건설계문제에 설계변수의 표준정규분포를 고려한 반응표면모델을 구축하여 최적설계를 수행하므로서 손쉽게 강건최적값을 구하는 방법을 제안하였다. 승용차용 브레이크 디스크에 제안된 방법을 적용하여 열변형과 중량을 최소화하는 설계변수의 강건최적해를 구하고, 몬테카를로 시뮬레이션 추정결과와 비교하여 이의 적합성을 검증하였다. In the practical design process, it is very important how to extract the design space information of the complex system for verifying, improving and optimizing the design process to take into account of design variables with their shape tolerance. The finite element analysis has been successfully implemented and integrated with a design of experiment such as D-Optimal array providing a response surface model and optimization tools, so that optimized design variables can be found. Then, to ensure robustness of the design variables the robust design should be performed additionally, in which the statistical variation from shape tolerance of the design variables optimized is taken into account. In this study a new approach via the response surface model considering standard normal distribution of the shape tolerance is proposed that enables to perform both of the optimization and robust design. This approach can be utilized as an efficient means to rapidly model the trade-off among many conflicting goals existed in the finite element analysis applications. For the case study the robust optimal design of disc brake under thermal loadings was carried out to apply solving multiple objective functions and constraints of the design variables such as a thermal deformation and weight.

표준정규분포를 고려한 반응표면모델 기반 디스크 브레이크의 강건최적설계

이광기(Kwang Ki Lee),이용범(Yong Bum Lee),한승호(Seung Ho Han) 대한기계학회 2010 大韓機械學會論文集A Vol.34 No.9

복잡한 시스템 계의 설계정보를 효과적으로 추출하기 위해서 형상최적설계가 수행되는 경우, 일반적으로 유한요소해석 기법과 D-최적배열을 이용한 실험계획법이 연동된 반응표면모델을 구성하고 여기에 최적설계기법이 적용된다. 그러나, 설계변수에 형상공차와 같은 변동성이 존재하면 최적해의 강건성 확보를 위하여 설계변수의 형상공차를 확률론적인 변동성으로 고려한 추가적인 강건설계가 필요하다. 본 연구에서는 계산시간이 많이 소요되는 유한요소해석에 의한 강건설계문제에 설계변수의 표준정규분포를 고려한 반응표면모델을 구축하여 최적설계를 수행하므로서 손쉽게 강건최적값을 구하는 방법을 제안하였다. 승용차용 브레이크 디스크에 제안된 방법을 적용하여 열변형과 중량을 최소화하는 설계변수의 강건최적해를 구하고, 몬테카를로 시뮬레이션 추정결과와 비교하여 이의 적합성을 검증하였다. In a practical design process, the method of extracting the design space information of the complex system for verifying, improving, and optimizing the design process by taking into account the design variables and their shape tolerance is very important. Finite element analysis has been successfully implemented and integrated with design of experiment such as D-Optimal array; thus, a response surface model and optimization tools have been obtained, and design variables can be optimized by using the model and these tools. Then, to guarantee the robustness of the design variables, a robust design should be additionally performed by taking into account the statistical variation of the shape tolerance of the optimized design variables. In this study, a new approach based on the use of the response surface model is proposed; in this approach, the standard normal distribution of the shape tolerance is considered. By adopting this approach, it is possible to simultaneously optimize variables and perform a robust design. This approach can serve as a means of efficiently modeling the trade-off among many conflicting goals in the applications of finite element analysis. A case study on the robust optimal design of disc brakes under thermal loadings was carried out to solve multiple objective functions and determine the constraints of the design variables, such as a thermal deformation and weight.

성능치 접근법을 이용한 시스템 신뢰도 기반 최적설계

강수창(Kang Soo-Chang),고현무(Koh Hyun-Moo) 대한토목학회 2010 대한토목학회논문집 A Vol.30 No.3A

구조물을 설계함에 있어서 작용하중, 재료특성 및 제작오차 등의 불확실성을 고려하여 안전성을 확보함과 동시에 경제적 효율성을 고려해야 한다. 이에 대한 가장 합리적인 해결방안으로서, 불확실성과 경제성을 동시에 고려하는 시스템 신뢰도 기반 최적설계 분야에 대한 관심이 증대되었으며 이를 구조물 설계에 적용하기 위한 많은 시도가 이루어졌다. 기존의 확정론적 최적설계와는 다르게 시스템 신뢰도 기반 최적설계는 요소 확률구속조건 및 시스템 확률구속조건에 대한 평가를 수행해야 한다. 하지만, 요소 신뢰도 지수 및 시스템 신뢰도 지수를 매 확률구속조건을 평가할 때마다 산정해야 하므로 대형구조 해석이 필요한 경우에는 과도한 계산시간이 요구된다. 따라서, 대형구조해석을 필요로 하는 경우에 대하여 보다 효율적인 SRBDO 알고리즘 개발이 필요하다고 할 수 있다. 이 연구에서는 성능치 접근법을 이용하여 보다 더 안정적이고 효율적인 시스템 신뢰도 기반 최적설계 알고리즘을 제안하였다. 신뢰도 기반 최적설계에 효과적으로 적용된 성능치 접근법은 직접적으로 신뢰도 지수 및 파괴확률을 산정할 수 없어 시스템 신뢰도 기반 최적설계에는 적용할 수 없는 단점이 있다. 이러한 단점을 극복하기 위해서 시스템 신뢰도 기반 최적설계 알고리즘을 요소 신뢰도 해석만을 수행하는 신뢰도 기반 최적설계 부분과 시스템 신뢰도 해석만을 수행하는 신뢰도 기반 최적설계 부분으로 나누어, 요소 신뢰도 해석만을 수행하는 신뢰도 기반 최적설계에 성능치 접근법을 적용하였다. 시스템 신뢰도 지수가 목표 시스템 신뢰도 지수를 만족할 때까지 각 요소 한계상태에 대한 목표 신뢰도 지수를 변경하면서 신뢰도 기반 최적설계를 수행하였다. 수학적 문제 및 트러스 문제에 대하여 제안된 방법을 적용한 결과, 수렴성 및 효율성 측면에서 우수한 성능을 보여줌을 확인하였다. Structural design requires simultaneously to ensure safety by considering quantitatively uncertainties in the applied loadings, material properties and fabrication error and to maximize economical efficiency. As a solution, system reliability-based design optimization (SRBDO), which takes into consideration both uncertainties and economical efficiency, has been extensively researched and numerous attempts have been done to apply it to structural design. Contrary to conventional deterministic optimization, SRBDO involves the evaluation of component and system probabilistic constraints. However, because of the complicated algorithm for calculating component reliability indices and system reliability, excessive computational time is required when the large-scale finite element analysis is involved in evaluating the probabilistic constraints. Accordingly, an algorithm for SRBDO exhibiting improved stability and efficiency needs to be developed for the large-scale problems. In this study, a more stable and efficient SRBDO based on the performance measure approach (PMA) is developed. PMA shows good performance when it is applied to reliability-based design optimization (RBDO) which has only component probabilistic constraints. However, PMA could not be applied to SRBDO because PMA only calculates the probabilistic performance measure for limit state functions and does not evaluate the reliability indices. In order to overcome these difficulties, the decoupled algorithm is proposed where RBDO based on PMA is sequentially performed with updated target component reliability indices until the calculated system reliability index approaches the target system reliability index. Through a mathematical problem and ten-bar truss problem, the proposed method shows better convergence and efficiency than other approaches.

Collaborative Optimization을 이용한 지구관측위성의 다분야 통합 최적 개념설계

김홍래(Hongrae Kim),장영근(Young-Keun Chang) 한국항공우주학회 2015 韓國航空宇宙學會誌 Vol.43 No.6

본 논문에서는 다분야 통합 설계최적화(MDO : Multidisciplinary Design Optimization)를 적용한 지구관측위성의 개념설계 과정 및 결과를 기술하였다. 현재까지 구축된 지구관측위성의 데이터베이스를 기반으로 주요 파라미터에 대한 개념설계식을 정립하였으며, 다분야 통합 최적설계 아키텍처 중 CO(Collaborative Optimization) 기반을 이용하여 지구관측위성 시스템의 최적 개념설계를 수행할 수 있는 설계 도구를 개발하였다. 주어진 제약조건을 만족시키면서 위성의 총 질량을 최소화하는 것을 설계 목표로 설정하였으며, 최적화 알고리즘으로는 SQP(Sequential Quadratic Programming)를 이용하였다. 다분야 통합 최적 설계를 적용한 개념설계 결과와 ASNARO-1 및 IKONOS-2 위성 규격의 비교를 통해 해당 설계도구의 유용성을 검증하였다. In this paper, the conceptual design procedure and results of Earth observation satellite through Multidisciplinary Design Optimization (MDO) are described. The conceptual design equations for major parameters are developed based on the established database of Earth observation satellite so far. The MDO conceptual design tool for Earth observation satellite was developed by applying the Collaborative Optimization (CO) architecture amongst several MDO architecture techniques available today. The objective for this research was set to minimize the total mass of satellite as well as satisfy all design constraints by utilizing the Sequential Quadratic Programming (SQP) algorithm. Eventually the effectiveness of MDO conceptual design tool was verified through proposing a comparison between the conceptual design results with MDO applied and the design specification of ASNARO-1 & IKONOS-2 Earth observation satellite.

다단계 목표계획법을 이용한 복합구조제어시스템의 통합최적설계

박관순,고현무,옥승용 한국지진공학회 2003 한국지진공학회논문집 Vol.7 No.5

이 연구에서는 지진하중을 받는 빌딩구조물에 대한 복합구조제어시스템의 최적설계방법을 제시한다. 복합구조제어시스템의 설계는 구조물의 부재뿐만 아니라 수동제어시스템 및 능동제어시스템의 용량 및 위치 최적화 과정으로 정의된다. 최적설계는 이 연구에서 제안된 다단계 목표계획법(Multi-Stage Goal Programming)을 이용하여 최적화문제를 정식화하고 목표갱신 유전자알고리즘(Goal-Updating Genetic Algorithm을 적용하여 합리적인 최적화를 진행해가는 과정으로 구성된다. 다단계 목표계획법에서는 구조물의 층간 상대변위와 제어시스템의 용량에 대한 설계목표를 여러 단계로 선정하고, 각 물리량과 설계목표간의 정규화된 거리 합으로서 목적함수를 정의한다. 목표갱신 유전자알고리즘은 각 단계별 설계목표를 만족하는 최적해를 검색하고, 현 단계의 모든 설계목표를 만족하는 최적해가 존재할 경우 설계목표를 순차적으로 갱신함으로써 보다 상위수준의 설계목표로 접근해 나아간다. 지진하중을 받는 9층의 빌딩구조물에 대한 수치 예를 통하여 복합구조제어시스템의 통합최적설계 과정을 기술하였고, 구조부재, 수동 및 능동제어시스템이 균등분포된 구조물과 최적 설계결과를 비교하여 제시하는 방법의 효율성을 검증하였다. An optimal design method for hybrid structural control system of building structures subject to earthquake excitation is presented in this paper. Designing a hybrid structural control system may be defined as a process that optimizes the capacities and configuration of passive and active control systems as well as structural members. The optimal design proceeds by formulating the optimization problem via a multi-stage goal programming technique and, then, by finding reasonable solution to the optimization problem by means of a goal-updating genetic algorithm. In the multi-stage goal programming, design targets(or goals) are at first selected too correspond too several stages and the objective function is th n defined as the sum of the normalized distances between these design goals and each of the physical values, that is, the inter-story drifts and the capacities of the control system. Finally, the goal-updating genetic algorithm searches for optimal solutions satisfying each stage of design goals and, if a solution exists, the levels of design goals are consecutively updated to approach the global optimal solution closest too the higher level of desired goals. The process of the integrated optimization design is illustrated by a numerical simulation of a nine-story building structure subject to earthquake excitation. The effectiveness of the proposed method is demonstrated by comparing the optimally designed results with those of a hybrid structural control system where structural members, passive and active control systems are uniformly distributed.

신경반응표면을 이용한 공학 구조물 설계 프레임워크 구축 및 검증에 관한 연구

이재철(Jae-Chul Lee),신성철(Sung-Chul Shin),김수영(Soo-Young Kim) 한국지능시스템학회 2014 한국지능시스템학회논문지 Vol.24 No.1

공학적 시스템 최적설계의 가장 중요한 과정은 설계변수와 시스템 응답과의 관계를 파악하는 것이다. 시스템 최적화의 경우 반응표면법이 주로 사용되고 있다. 반응표면법의 최적화 과정은 대표적인 후보대안을 이용하여 설계공간을 구성하고, 설정된 설계공간에서 설계 최적점을 찾는다. 설계공간의 구성에 따라 최적점이 변화되므로 합리적인 최적점을 찾기 위해서는 설계공간의 구성이 매우 중요하다. 따라서 본 연구에서는 설계변수와 시스템응답의 관계를 신경반응표면을 이용하여 설계공간을 구성하고, 구성된 설계 공간 안에서 다목적유전자 알고리즘을 이용하여 최적 형상을 예측 할 수 있는 ‘신경반응표면을 이용한 공학 구조물 설계 프레임워크 구축’을 시도하였다. 구축된 프레임워크의 유용성을 확인하기 위해 비선형 수학함수 문제를 적용하였다. 구축된 프레임워크를 통해 공학문제의 최적화 과정에서 시간의 제약을 해결하고, 효과적인 최적설계가 가능함을 확인할 수 있었다. 향후에는 본 연구의 결과를 바탕으로 실제 조선해양공학 최적화 문제에 적용을 시도할 것이다. The most important process of engineering system optimal design is to identify the relationship between the design variables and system response. In case of the system optimization, Response Surface Method (RSM) is widely used. The optimization process of RSM generates the design space using the typical alternative candidates and finds the optimal design point in the generated design space. By changing the optimal point depending on the configuration of the design space, it is important to generate the design space. Therefor in this study, the design space is generated by using the relationship between design variables and system response based on Neuro-Response Surface Method (NRSM). And I try to construct the framework for optimal shape design based on NRSM that the optimum shape can be predicted using the Non-dominated Sorting Genetic Algorithm-II (NSGA-II) within the generated design space. In order to verify the usefulness of the constructed framework, we applied the nonlinear mathematical function problem. In this study, we can solve the constraints of time in the optimization process for the engineering problem and effective to determine the optimal design was possible. by using the generated framework for optimal shape design based on NRSM. In the future research, we try to apply the optimization problem for Naval Architectural & Ocean Engineering based on the results of this study.