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.

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.

구조최적설계를 위한 다양한 근사 최적화 기법의 적용 및 비교

송창용(Chang Yong Song),이종수(Jongsoo Lee) 대한기계학회 2010 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2010 No.3

본 논문은 범프 및 브레이크 하중조건 하에서 자동차 넉클의 강도설계에 관한 회귀모델 기반 근사최적화 기법의 비교 연구를 다룬다. 설계문제는 응력, 변형 및 진동주파수의 제한조건 하에서 중량을 최소화하여 설계변수인 단면치수가 결정되도록 정식화 된다. 비교 연구를 위해 사용된 기법은 순차적 근사최적화(SAO), 순차적 이점 대각 이차 근사최적화(STDQAO), 그리고 개선된 이동최소자승법(MLSM) 기반 근사최적화 기법인 CF-MLSM와 Post-MLSM 이다. SAO와 STDQAO 적용을 위해서는 상용 프로세스통합 설계최적화(PIDO) 코드를 사용한다. 개선된 MLSM 기반 근사최적화 기법들은 제한조건 가용성을 보장할 수 있도록 새롭게 개발되었다. 근사최적화 기법의 결과는 수치적 성능과 관련하여 실제 비근사최적화 결과와 비교검토 된다. The paper deals with comparative study of regression model based approximate optimization techniques in strength design of an automotive knuckle component under bump and brake loading conditions. The design problem is formulated such that cross sectional sizing variables are determined by minimizing the weight of a knuckle component subject to stresses, deformations, and vibration frequency constraints. The techniques used in the comparative study are sequential approximate optimization (SAO), sequential two-point diagonal quadratic approximate optimization (STDQAO), and the enhanced moving least squares method (MLSM) based approximate optimization such as CF (constraint feasible)-MLSM and Post-MLSM. Commercial process integration and design optimization (PIDO) tools are utilized for the applications of SAO and STDQAO. The enhanced MLSM based approximate optimization techniques are newly developed to ensure the constraint feasibility. In the context of numerical performances, the solution results from approximate optimization techniques are compared to actual non-approximate optimization.

진화 알고리즘을 이용한 친환경 건축설계 최적화 기법 연구 -기본설계 단계를 중심으로-

김경식 대한건축학회지회연합회 2024 대한건축학회연합논문집 Vol.26 No.4

친환경 건축설계의 중요성은 전 지구적인 기후 위기와 함께 필수적인 설계 요소로 자리 잡고 있다. 그럼에도 불구하고 친환경적인 고려는 일반적으로 건축설계 과정의 중후반 부에 이루어지는 경우가 많으며, 특히 건축물의 배치나 높이, 향 등 전반적인 형상의 결정보다는 건축설비 혹은 입면 디자인에 대한 고려에 치우치는 경향이 높다. 그러나 전술한 바와 같이 설계 초반 부 과정에서 결정된 사항들이 실제적인 건축물의 성능을 좌우하는 경우가 많으므로 기본설계 단계에서 건축물의 에너지성능을 높일 수 있는 방식에 대한 고도화된 연구가 더욱 필요한 상황이다. 이번 연구를 통해 도출된 친환경설계 기법은 특정 대상지 뿐 아니라 일반적 대지에도 범용 적으로 적용될 수 있도록 알고리즘을 고안하였다. 제안된 두 가지의 단계를 통해 기본설계 단계에서 최적화된 건축물의 형상을 도출할 수 있었으며, 따라서 건축물의 전체 생애 주기에 걸쳐 높은 수준의 에너지 절감이 가능한 기법이라 할 수 있겠다. 연구에서 정립된 친환경설계 기법은 향후 친환경건축설계 가이드라인으로 역할 할 수 있으며, 장기적인 관점으로 봤을 때는 건축물의 에너지절약설계기준과 같은 일종의 법령으로 정비될 수도 있을 것이다. 이러한 관점에서 본 연구의 의의가 있다고 하겠으며, 향후 더욱 다양하고 정비된 단계에 대한 고도화 연구가 필요할 것으로 판단된다. The importance of eco-friendly architectural design has become an essential design element along with the global climate crisis. Nevertheless, eco-friendly considerations are generally made in the mid to late stages of the architectural design process, and in particular, there is a high tendency to focus on consideration of architectural facilities or facade design rather than determining the overall shape, such as the layout, height, or orientation of the building. However, as mentioned above, the decisions made in the early design process often determine the actual performance of the building, so more advanced research is needed on ways to increase the energy performance of buildings in the early design stage. An algorithm was designed so that the eco-friendly design techniques derived through this study can be universally applied not only to specific sites but also to unspecified sites. Through the two proposed stages - placement, height and orientation - it was possible to derive an optimized building shape in the early design stage, and thus it can be said to be a technique that enables a high level of energy savings throughout the entire life cycle of the building.

3차원 날개 공력설계를 위한 네트워크 분산 설계최적화

조창열(Chang-Yeol Joh),이상경(Sang-Kyung Lee) 한국항공우주학회 2004 한국항공우주학회지 Vol.32 No.10

3차원 날개의 공력형상 설계최적화를 위한 설계최적화 시스템을 미래의 다분야 설계최적화 프레임워크의 일환으로 개발하였다. 이 설계최적화 시스템은 형상설계, 격자생성, 공력해석, 최적화의 4가지 모듈로 구성되어 있다. 모두 상용패키지를 배경으로 개발하였으며 내장된 스크립트와 저널링 기능을 사용하여 배치 모드에서 자동적으로 실행되도록 프로그램 하였다. Visual Basic 프로그램을 사용하여 네 모듈을 통합하여 자동화된 설계기능을 갖도록 하였다. 특히 계산시간이 많이 소요되는 공력해석을 위하여 네트워크 통신을 이용한 분산 환경을 구현하였다. 공력해석은 일반적인 영역분할방식의 병렬처리 대신에 전역최적화 기법인 반응표면법과 연계하여 분산처리 시켰다. 개발한 공력설계 시스템의 검증을 위하여 간단한 항력최소화 문제에 적용하였으며 그 결과 상당히 향상된 설계 효율성과 적절한 설계 결과를 보여주었다. An aerodynamic design optimization system for three-dimensional wing was developed as a part of the future MDO framework. The present design optimization system includes four modules such as geometry design, grid generation, flow solver and optimizer. All modules were based on commercial softwares and programmed to have automated execution capability in batch mode utilizing built-in script and journaling. The integration of all modules into the system was accomplished through programming using Visual Basic language. The distributed computational environment based on network communication was established to save computational time especially for time-consuming aerodynamic analyses. The distributed aerodynamic computations were performed in conjunction with the global optimization algorithm of response surface method, instead of using usual parallel computation based on domain decomposition. The application of the design system in the drag minimization problem demonstrated considerably enhanced efficiency of the design process while the final design showed reasonable results of reduced drag.

최적화알고리즘과 열해석을 통합한 위성방열판 설계의 최적화 방법에 관한 연구

김희경(Hui-Kyung Kim) 한국항공우주연구원 2013 항공우주기술 Vol.12 No.2

위성방열판은 내부의 부품유닛에서 발생하는 열을 외부우주로 방출하는 열전달경로를 확보하기 위해 적용되는 열제어방법 중 한 가지로서, 이것의 최적설계는 효율적인 위성 열설계의 한 방향이 될 수 있다. 본 연구는 위성 열제어 개발에서 활용하는 위성 열해석과 최적화알고리즘을 결합한 통합해석을 통하여 위성열모델 노드기반의 방열판설계최적화 접근방식을 제안하였다. 이 방법은 위성열해석과 최적화알고리즘의 해석소프트웨어의 종류에 상관없이 적용가능한 개념이며, 일반적인 위성열모델을 사용한 방열판설계의 개념을 그대로 유지하면서 최적화를 할 수 있기 때문에 위성설계에 실제적으로 사용할 수 있다. 또한, 두 해석소프트웨어를 결합하는 전체적인 해석구조와 본 방열판 설계 최적화문제에 대한 정식화를 제시하였다. A spacecraft radiator is a thermal control method to eject internally dissipated heat into the space generated from operation of unit boxes. The efficiency of thermal design may be improved by optimizing radiator design. In this paper, the optimization approach method of node-based radiator design was suggested which is to combine numerical thermal analysis with optimization algorithm. This method has meaning that it can be used practically to implement the spacecraft radiator design regardless of thermal analysis and optimization algorithm software and maintain the same basic concept of an ordinary radiator design approach based on node division of a thermal model. The overall analysis framework with thermal analysis and optimization algorithm would be presented.

Box-Behnken 설계를 활용한 브레이크 디스크 설계 최적화

김민석(Min-Seok Kim),황준(Joon Hwang),김해중(Hae-Joong Kim),이상민(Sang-Min Lee),유창범(Chang-Beom Yu),오병기(Byung-Ki Oh) 한국디지털산업학회 2024 한국디지털산업학회지 Vol.29 No.3

자동차의 설계와 용도가 다양해짐에 따라 자동차 브레이크 디스크의 설계목표 또한 다양해지고 요구수준이 높아지고 있다. 브레이크 디스크는 고유진동수, 강도, 온도, 마찰력과 같은 여러 설계목표를 충족해야 하는데, 다양한 설계 변수들이 설계목표 달성에 영향을 주고 있다. 브레이크 디스크는 제작 후 성능을 측정 및 평가에 많은 시간과 비용이 필요하여 최적 설계 대안을 찾는 데 어려움이 있다. 본 연구에서는 Box-Behnken 설계(Box-Behnken Design, BBD)를 활용한 반응표면분석(Response Surface Methodology, RSM)을 통하여 적은 실험 횟수로 최적설계 대안을 제안하였다. 실험을 통해 브레이크 디스크의 벤트 비율(vent ratio), Fin 형상, 언더컷(undercut, UC) 타입의 설계 인자가 고유진동수에 미치는 영향을 분석하고, 인자의 변화에 따른 고유진동수의 변화를 예측하였다. 추가 실험을 통해 예측 모델의 정확도를 검증하고 최적설계 대안을 제안하였다. As automotive design and applications diversify, design objectives for car brake discs have also become varied, with the demanding due increasing. Brake discs need to meet various design targets such as natural frequency, strength, temperature, and friction force, and various design variables affect the achievement of these objectives. Evaluating the performance of brake discs after manufacturing requires significant time and cost, making it difficult to find the optimal design alternative. In this study, we propose an optimal design method using Box-Behnken Design(BBD) coupled with Response Surface Methodology (RSM), which allows for the proposal of optimal design alternatives with a minimal number of experiments. Based on the experimental studies, we analyze the influence of design factors such as vent ratio, Fin shape, and undercut(UC) type on the natural frequency and predict changes in the natural frequency according to variations in these factors. Additional experiments validate the accuracy of the predictive model and propose optimal design alternatives.

다목적 최적화 기법을 이용한 편심가새골조의 역량설계

홍윤수,유은종 한국전산구조공학회 2020 한국전산구조공학회논문집 Vol.33 No.6

본 연구에서는 철골편심가새골조 시스템을 대상으로 다목적최적화기법을 통해 설계를 수행하고 그 결과를 분석하였다. 최적화 설 계를 위해 유전 알고리즘의 일종인 NSGA-II를 활용하였다. 여기서, 목적함수는 이율배반적 관계를 갖는 구조물량과 층간변위로 하여 최소화되고, 제약조건에는 구조기준에서 요구하는 내력비, 링크의 회전각 등을 포함하였다. 제약조건은 최적화 알고리즘 내에서 각 항목을 위반할수록 목적함수 값을 크게 증가시키는 벌금함수의 형태를 가지고 있다. 설계기준에서 EBF 시스템의 설계규정은 링크 부재만 항복이 허용되며 나머지 부재는 링크 항복 시 발생되는 부재력을 탄성상태에서 견디도록 의도한 역량설계법에 기초한다. 그러나 최적화를 통해 도출된 결과 중 일부는 구조기준의 설계조항은 만족하지만 특정층 링크에 소성변형이 집중되어 연약층을 형성함 으로써 기준에서 의도하는 역량설계의 원칙을 위배하는 결과가 나타났다. 이를 해결하기 위해 모든 링크의 전단 초과강도계수 중 최 대값이 최소값의 1.25배를 넘지 않도록 하는 제약식을 추가하였다. 새로운 제약식을 추가한 경우 모든 최적해는 설계기준과 역량설계의 원칙을 준수하는 것으로 나타났다. 모든 설계안에서 보 경간에 대한 링크의 길이비는 전단링크의 범주에 해당하는 10% ~ 14%였다. 전체적으로 설계안들은 링크의 초과강도 계수비가 가장 지배적인 제약으로 작용하였으며, 구조기준의 요구사항 중 층간변위와 내력비 등의 항목에서 허용치에 비해 매우 보수적으로 설계되었다. The structural design of the steel eccentrically braced frame (EBF) was developed and analyzed in this study through multiobjective optimization (MOO). For the optimal design, NSGA-II which is one of the genetic algorithms was utilized. The amount of structure and interfloor displacement were selected as the objective functions of the MOO. The constraints include strength ratio and rotation angle of the link, which are required by structural standards and have forms of the penalty function such that the values of the objective functions increase drastically when a condition is violated. The regulations in the code provision for the EBF system are based on the concept of capacity design, that is, only the link members are allowed to yield, whereas the remaining members are intended to withstand the member forces within their elastic ranges. However, although the pareto front obtained from MOO satisfies the regulations in the code provision, the actual nonlinear behavior shows that the plastic deformation is concentrated in the link member of a certain story, resulting in the formation of a soft story, which violates the capacity design concept in the design code. To address this problem, another constraint based on the Eurocode was added to ensure that the maximum values of the shear overstrength factors of all links did not exceed 1.25 times the minimum values. When this constraint was added, it was observed that the resulting pareto front complied with both the design regulations and capacity design concept. Ratios of the link length to beam span ranged from 10% to 14%, which was within the category of shear links. The overall design is dominated by the constraint on the link's overstrength factor ratio. Design characteristics required by the design code, such as interstory drift and member strength ratios, were conservatively compared to the allowable values.

구조 최적설계를 위한 다양한 근사 최적화기법의 적용 및 비교에 관한 연구

송창용(Chang Yong Song),이종수(Jongsoo Lee) 대한기계학회 2010 大韓機械學會論文集A Vol.34 No.11

본 논문에서는 범프 및 브레이크 하중조건 하에서 자동차 넉클의 강도설계에 관한 다양한 회귀모델 기반근사최적화 기법 및 그 성능을 비교하고자 한다. 최적설계문제는 응력, 변형 및 진동주파수의 제한조건 하에서 중량을 최소화하여 설계변수인 단면치수가 결정되도록 정식화 된다. 비교 연구를 위해 사용된 근사화 기법은 순차적 근사최적화(SAO), 순차적 이점대각이차 근사최적화(STDQAO), 그리고 개선된 이동최소 자승법(MLSM) 기반 근사최적화 기법인 CF-MLSM 와 Post-MLSM 이다. SAO 와 STDQAO 적용을 위하여 상용프로세스통합 설계최적화(PIDO) 코드를 사용하였다. 본 연구에 적용한 MLSM 기반 근사최적화 기법들은 제한조건의 가용성을 보장할 수 있도록 새롭게 개발되었다. 다양한 근사최적화 기법에 의한 설계결과는 설계 해의 개선 및 수렴속도등 수치적 성능을 기준으로 실제 비근사최적화 결과와 비교검토 되었다. The comparative study of regression-model-based approximate optimization techniques used in the strength design of an automotive knuckle component that will be under bump and brake loading conditions is carried out. The design problem is formulated such that the cross-sectional sizing variables are determined by minimizing the weight of the knuckle component that is subjected to stresses, deformations, and vibration frequency constraints. The techniques used in the comparative study are sequential approximate optimization (SAO), sequential two-point diagonal quadratic approximate optimization (STDQAO), and approximate optimization based on enhanced moving least squares method (MLSM), such as CF (constraint feasible)-MLSM and Post-MLSM. Commercial process integration and design optimization (PIDO) tools are utilized for the application of SAO and STDQAO. The enhanced MLSM-based approximate optimization techniques are newly developed to ensure constraint feasibility. The results of the approximate optimization techniques are compared with those of actual non-approximate optimization to evaluate their numerical performances.

컨테이너선의 조파저항 감소 기술에 대한 연구

최희종 한국항해항만학회 2024 한국항해항만학회지 Vol.48 No.4

본 논문에서는 컨테이너선의 조파 저항을 효율적으로 감소시킬 수 있는 기술과 관련하여 연구한 내용을 정리하였다. 컨테이너선에 적용이 가능한 조파저항 저감 기술을 개발하고 실선 설계에 사용하기 위하여 최적화 알고리즘, 선체 형상 변경 알고리즘, 선박 성능 예측 알고리즘, 자동화 알고리즘 그리고 반복적 최적 설계 기법을 적용하여 선형 최적 설계를 수행할 수 있는 컴퓨터 프로그램을 개발하였다. 선형 최적 설계에 있어서 중요한 요소인 설계 변수의 적절한 설정과 설계 변수의 하한과 상한을 효율적인 설정을 위하여 민감도 분석 알고리즘을 개발하여 선형 최적 설계에 적용하였다. 개발된 컴퓨터 프로그램의 신뢰성과 실선 적용성을 예측하기 위하여 전 세계적으로 다양한 연구가 진행된 컨테이너선인 KCS(KRISO Container Ship) 선박에 대한 선형 최적 설계를 수행하였다. KCS 선박의 설계 속도인 Fn=0.26에서 선형 최적 설계를 수행하였으며, 대상 선박인 KCS 선박의 선형과 선형 최적 설계의 결과로써 도출된 선박의 선형에 대한 수치해석을 수행하여 조파 저항, 파형 그리고 파고를 구하고 서로 비교하였다. 결론적으로, 최적 선박은 대상 선박과 비교하여 조파 저항이 80.60% 감소하였고, 배수량과 침수 표면적은 각각 1.54%, 1.21% 감소하는 것을 알 수 있었다. This paper aimed to summarize research on technologies that could efficiently reduce wave-making resistance of container ships. Tto develop wave resistance reduction technology that could be applied to container ships and use it in real ship design, hull-form optimal design was performed by applying optimization algorithms, hull-form change algorithms, ship performance prediction algorithms, automation algorithms, and iterative optimal design techniques. A computer program was also developed. To properly set design variables known to be important elements in hull-form optimal design and to efficiently set lower and upper limits of design variables, a sensitivity analysis algorithm was developed and applied to hull-form optimal design. To predict the reliability and applicability of the developed computer program for real ships, hull-form optimal design was performed for a KRISO Container Ship (KCS), a container ship with various studies conducted worldwide. Hull-form optimal design was performed at Fn=0.26, the design speed of the KCS ship. Numerical analysis was performed on the hull-form of the target ship, the KCS ship, and the hull-form of the ship derived as a result of the hull-form optimal design to determine wave resistance, wave system, and wave height. The optimal ship's wave resistance was found to be reduced by 80.60% compared to the target ship. The displacement and wetted surface area were also found to be reduced by 1.54% and 1.21%, respectively.