방파제 위치에서의 파랑계산에 인공신경망을 도입한 케이슨 방파제의 기대활동량 산정

김소연 서울대학교 대학원 2012 국내석사

초 록 국제적인 설계기준의 변화에 따라 항만구조물에도 확률론적인 설계법이 도입되고 있다. 기존의 결정론적 설계법의 경우, 하중의 재현주기를 설정하여 설계하중을 계산한 후에 일정한 안전율을 적용하였다. 이 경우, 구조물의 안전성에 대한 정량적인 평가나 파괴모드에 따른 상대적인 평가가 어렵기 때문에 결과적으로 구조물을 과대 또는 과소 설계할 가능성을 내포하고 있다. 이러한 결정론적 설계법의 단점을 극복하기 위해 신뢰성 설계법이 개발되었다. 방파제의 경우, 파괴모드에 따라 영향을 주는 설계변수들과 각 변수들의 확률분포 또는 결합확률밀도함수를 고려하여 파괴확률을 추정하는 방법이 주로 사용되고 있다. 케이슨 방파제의 파괴는 주로 활동에 의해 발생된다. 따라서, 본 연구에서는 케이슨의 기대활동량과 파괴확률만을 산정하였다. 케이슨방파제의 설계 및 안전성을 평가하기 위해서는 방파제 위치에서의 파랑자료가 필요하다. 신뢰성 설계법에서는 불확실성을 고려하기 위해 확률분포함수로 정의된 심해파고를 이용한다. 기대활동량을 구하기 위해서는 심해에서 정의된 확률파를 천해로 전파시키는 과정을 수천 번 반복해야 한다. 하지만 기존파랑변형모델의 경우, 이 과정을 수행하는데 굉장히 많은 시간이 소요되기 때문에 결과적으로 신뢰성 설계 또한 괘 오랜 시간이 필요하다. 이를 극복하기 위해 본 연구에서는 인공신경망을 이용하여 심해파의 파랑변형을 예측하는 방법을 제안하였다. 예측된 파고와 파향을 이용하여 케이슨방파제의 기대활동량을 산정함으로써 결과적으로 신뢰성설계에 소요되는 시간을 획기적으로 단축시켰다. 동해항 북방파제 제 11 구간에 대해서 신뢰성 설계법을 적용하여 케이슨의 기대활동량과 파괴확률을 계산하였다. 동해항 북방파제 설계조건에 따른 조건을 사용하여 각각 보강 전과 보강 후에 적용하였다. 학습자료는 Goda’s spectral method와 SWAN 모델을 사용하여 산정하였다. 인공신경망으로 방파제 위치에서의 유의파고와 파향을 예측한 결과, 목표값과 출력값의 상대오차가 약 2% 미만으로 인공신경망이 신뢰할 만한 수준으로 예측가능함을 확인하였다. 인공신경망을 이용하여 방파제 위치에서의 파고와 파향을 예측하는데 걸린 시간은 30초 이내로, 적절한 은닉층의 노드 수만 결정된다면 순전히 예측에 소요된 시간은 1초 정도로 매우 짧았다. 보강 전의 기대활동량이 평균적으로 약 3 m, 파괴확률을 약 80%로 위험한 것으로 판단되었다. 보강 후에는 파괴확률이 약 15%로 낮아졌으며, 기대활동량 또한 0.1 m 미만으로 허용활동량을 넘지 않음을 확인하였다. 본 연구에서는 기대활동량 산정에 필요한 다량의 파랑변형을 인공신경망을 도입함으로써 기존의 파랑변형모델과 비교하여 획기적으로 시간을 단축시킬 수 있었다. 결과적으로는 기대활동량과 파괴확률 산정에 소요되는 총 시간을 단축시켜 효율적인 신뢰성 설계법 수행이 가능해졌다. 앞으로 케이슨방파제의 설계변수에 대한 확률분포 추정이 활발히 진행되고, 다중파괴모드에 대한 연구가 이루어진다면 더욱 정확하고 효율적인 설계가 가능할 것이다. 주요어: 케이슨방파제, 기대활동량, 신뢰성 설계법, 인공신경망, 파랑변형 학 번: 2010-20934

Comparative study of design methods for sliding of perforated wall caisson breakwater

김남훈 서울대학교 대학원 2014 국내석사

케이슨 방파제를 설계함에 있어서 방파제의 주요 파괴 모드인 활동에 대하여 안전율을 이용하는 결정론적 설계법이 사용되어 왔다. 하지만 구조물에 작용하는 하중과 구조물의 저항력 등에 대한 불확실성을 안전율이라는 간단하지만 경험적인 상수를 대신하기 때문에 활동량에 대한 정량적, 상대적인 평가가 어려워 구조물을 과대 혹은 과소 설계할 가능성을 내포하고 있다. 이러한 설계변수의 불확실성을 확률적 개념으로 고려하여 케이슨의 활동량을 계산하는 성능 설계법이 제안되고 있다. 무공케이슨 방파제의 성능 설계법은 과거 여러 연구자들에 의해 연구가 진행되어 왔으며, 현재 그 틀이 거의 잡혀져 있다 해도 과언이 아니다. 반면, 유공케이슨 방파제의 경우 전면의 유공벽 구조에 의한 파력 감쇄에 따라 구조물의 안정성이 증대되는 효과가 있음에도 불구하고 이와 관련된 연구는 국내∙외적으로 아직 많이 이루어지지 않았다. 본 연구에서는 기존의 무공케이슨 방파제의 성능 설계법 이론을 유공케이슨 방파제에 확장, 적용하여 이론의 적용 가능성 여부를 판단한다. 또한 결정론적 설계법의 결과와 비교 분석하여 합리적인 설계법을 결정 한다. 이는 유공케이슨 방파제의 성능 설계법에 대한 기준을 제시하기 위해 수행되는 기초 연구이다. 따라서 향후 유공케이슨 방파제의 성능 설계에 매우 중요한 지표가 될 것으로 예상된다. In the design of a caisson breakwater against sliding, the deterministic design method has been used with consideration of certain margin of safety factor. However, it is difficult to quantitatively and comparatively evaluate the sliding distance using the safety factor because of the uncertainty of the design variables. It may cause the over- or under-design of the structure. Therefore, it is required to develop probabilistic design methods (e.g., performance-based design method) to consider the uncertainties of the design variables by computing the sliding distance of the caisson. The performance-based design method of a solid-wall caisson breakwater has been investigated by many researchers and its framework is almost completed. On the other hand, researches on a perforated-wall caisson breakwater have been scarcely made despite the fact that it has greater structural safety due to decreased impulsive wave force at the perforated-wall. In this study, the conventional performance-based design method of the solid-wall caisson breakwater has been expanded and applied to the perforated-wall caisson breakwater in order to examine the feasibility of its application. In addition, a comparative analysis is made between the deterministic design method and performance-based design method. It will serve as a basic research to standardize the criteria of the performance-based design method of a perforated-wall caisson breakwater. Moreover, it is expected to be an important and useful tool in designing a stable perforated-wall caisson breakwater in the future.

동해항 방파제를 대상으로 한 신뢰성 설계법의 비교연구

김승우 서울대학교 대학원 2005 국내석사

(A)Study on the load-resistance factor of cable-stayed bridges through reliability analysis considering ship collision

문치호 서울대학교 대학원 2007 국내석사

(A)Study on the load-resistance factor of cable stayed steel bridges through reliability analysis

이영주 서울대학교 대학원 2006 국내석사

월파에 대한 호안의 신뢰성 해석

오정은 서울대학교 대학원 2005 국내석사

자동차 현가장치 부품에 대한 신뢰성 기반 최적설계에 관한 연구

이종홍 연세대학교 대학원 2005 국내석사

구조설계에 있어서 흔하게 사용되는 목적함수로는 최소중량, 최소 비용, 처짐의 크기, 신뢰성, 진동수 등이 있다. 그러나 실제의 구조설계는 위에 언급한 여러 가지의 목적함수를 동시에 고려하는 다목적함수이다. 따라서 본 논문에서는 다목적함수 최적설계기법(Multi Objective Optimization Method)을 사용하여 실제문제에 접근하고자 하였으며, 더불어 구조설계에서 고려되는 설계변수들의 여러 가지 특성의 불확실성과 시스템 또는 부재의 기능 손상확률을 고려하여 목적함수의 평균값을 최적화하는 신뢰성 최적설계(Reliability Based Design Optimization: RBDO)를 수행하여서 실제 구조설계 문제에 대하여 고찰하였다. 본 연구에서는 최근의 자동차의 설계에 있어서 연비 절감에 효과적인 방법의 하나인 자동차의 경량화를 위한 최적설계와 제품의 신뢰성 측면에 있어서의 신뢰성 해석에 대한 기본개념과 이론적인 방법을 고찰 하였으며, 자동차의 현가장치 부품에 대해서 최적설계와 신뢰성 해석을 수행하였다.승차감과 안전성을 좌우하며 자동차의 질과 성능 면에서 지대하고 직접적인 영향을 미치는 주요부품 중 하나로 취급되어지고 있는 자동차 현가장치(Suspension)의 부품들에 대하여 경량화를 위하여 최적설계와 더불어 설계자가 선정한 신뢰수준 범위 내에서 요구하는 반응특성을 얻기 위해 신뢰성 최적설계를 수행하고자 한다. 현가장치 부품들 중에서 Upper Arm의 경량설계를 위하여 위상 최적화(Topology Optimization), 치수 최적화(Size Optimization)를 결합시켜서 경량화의 극대화를 하고자 하며 현가장치 특성상 부품의 고유진동수를 특정한 주파수대 이상이 되도록 설계함이 요구되어지므로 최적화 과정에서는 중량을 줄이면서 동시에 고유진동수를 증가시키기 위해서 다목적 최적설계기법(Multi Objective Optimization Method)을 적용하였으며, 최적화가 완료 후에는 제품의 신뢰성을 고려하기 위하여 신뢰성 최적설계(Reliability Based Design Optimization: RBDO)를 수행하였다. 신뢰성 최적설계의 수행에 있어서 Monte Carlo 법(MCM)을 사용하여 신뢰도의 정확도를 높였으며 Monte Carlo 법(MCM)의 효율성을 높이기 위하여 중요도 추출법을 사용하였다.

우편물 자동 봉함기(press sealer)에서 고속 급지 속도에 따른 최적의 FRR 급지 system 구현

김대영 연세대학교 공학대학원 2006 국내석사

The purpose of this study was to solve the problem of the press sealer mal-operation, particularly Feed & Reverse Roller (FRR) miss feeding (skipping, redundant feeding or bundle feeding) and thereupon, enhance the conventional low-speed (3,000 papers/h) FRR system into a high-speed (12,000 ones per hour) one. In addition, in order to help localize core parts of FRR and save the cost, the researcher selected the local parts developed and designed to be free from quality problems to implement the high-speed FRR system.For this purpose, the researcher divided the factors affecting the FRR feeding speed into control and noise ones and thereby, set the speed level according to the FRR paper-feeding capacity formula and operational linear formula and then, conducted a preliminary test to determine the uppermost two levels of normal operation. And then, the factors confirmed were subject to the Takuchi test plan model using the Cartesian arrangement table: liner average analysis and S/N ratio analysis.Thus, the final factors determined were subject again to S/N ratio analysis only to confirm the tolerance between actual measurements and predicted output values within 5%. On the other hand, the final factors were substituted into FRR paper-feeding capacity formula and operational linear formula to draw the operational line. As a result, it was proven that the levels of the final factors were within the feeding capacity.In addition, what was encouraging was the result of the test that the input torque limit applied to the conventional low-speed FRR system could be replaced with a local counterpart. Namely, the new FRR system would be efficient enough in both terms of cost and capacity to compete with foreign brands.After all, the reliability design using the Takuchi text plan model was proven to save testing frequency and time for development of a new product and thus, improve the efficiency of research and find an optimal design condition. In particular, if it is applied to a test comparing factors, it will be very useful in determining their comparative advantages and effects. Hence, the researcher is planning to vary it for future studies depending on their purposes. 본 연구는 Press Sealer의 급지 방식 중 Feed & Reverse Roller(이하 FRR방식이라 함)의 Miss Feeding 문제(불송, 중송, 다매급지)의 개선과 동시에 이미 구현된 저속기(3,000매/h)의 FRR System을 기반으로 고속기(12,000매/h)처리량에 대응 할 수 있는 FRR System의 구현을 목적으로 시작 하였고, 더불어 개발 및 설계 단계부터 품질의 영향이 없는 범위에서부터 국내부품을 선정, 적용하여 핵심부품의 국산화를 통해 비용 절감 효과도 얻고자 하였다.연구 진행 절차는 FRR Feedinf姓에 영향을 미칠 인자를 크게 제어인자(Control Factor)와 잡음인자(Noise Factor)로 나누어 FRR 급지 가능범위의 식과 작동선식에 의해 수준의 범위를 정한 후, 예비 실험을 통해 정상작동 횟수가 높은 상위 두 가지 수준을 결정 하여 선정된 인자를 직교배열표에 의한 다구찌 실험계획법의 선형 평균 분석과 S/N Ratio 분석을 통해 최적의 수준을 선정하였다.최종 선정된 인자의 수준을 가지고 S/N Ratio 분석에 의한 확인 실험을 하여 실제 측정치와 예상 출력치의 오차범위가 5% 범위 내에 있음을 확인 하였으며, 최종 선정된 인자의 수준을 FRR 급지 가능범위의 식과 작동선식에 대입하여 작동선을 작도한 후, 최종 선정된 인자의 수준이 모두 급지 가능 범위 내에 있음을 입증 하였다.또한, 실험결과로 한가지 고무적인 사항은 기존의 저속기(3000매/h)에 적용되는 수입 Torque Limit를 고속기(12000매/h)에서 내수 부품으로 전환할 수 있게 되었다는 점이다. 이는 비용과 수급면에서 상당한 절감 효과를 기대 할 수 있는 부분이고 따라서 외국 브랜드와의 가격 경쟁력을 확보하는데 큰 도움이 될 수 있다고 하겠다.다구찌 실험계획법을 이용한 신뢰성 설계는 신제품 개발 시 실험회수나 시간을 절약하여 연구 효율을 증대 시키고 설계 최적 조건을 찾는데 유용하게 사용되며, 인자 간 비교가 주목이 되는 실험에 사용하면 이들 간 비교 우위와 효력의 정도를 판정하는데 아주 유익한 실험법이라 할 수 있다. 따라서 설계의 목적에 따라 다양하게 변형하여 이용 할 계획이다.

Reliability based design optimization of vehicle multimedia encapsulating module

박정민 Graduate School, Yonsei University 2004 국내석사

확정론적 방법을 사용한 최적 설계 방법은 통계학적 최적 설계 방법보다 덜 복잡하고 빠르게 수렴하는 장점이 있으나 설계 변수나 시스템 파라미터에 존재할 수 있는 불확정성으로 인해 발생할 수 있는 목적함수나 구속 조건의 변동을 고려하지 못한다는 단점으로 인하여 최적설계 결과에 대한 신뢰도의 적용성이 다소 떨어질 수 있다. 즉 통계학적 최적 설계 방법은 설계 변수와 시스템 파라미터의 불확정성이 목적함수와 제한 조건에 미치는 영향을 고려한다는 점에서 확정론적 최적 설계와 차이가 있다. 제품의 수명을 향상시키기 위해서는 다양한 사용 및 환경 조건하에서 평균 수명이 일관성 있게 길어야 한다. 제품의 수명은 설계 변수의 허용 오차나 제품의 사용 및 환경 조건에 영향을 받는다. 그러나, 생산자가 제품의 사용 및 환경 조건을 직접적으로 통제할 수 없을 뿐만 아니라 제품에 사용되는 부품은 허용 오차를 가지므로 제품 수명은 필연적으로 어떠한 산포를 가지게 된다. 신뢰성 기반 최적 설계는 구조 설계에 있어서 설계단계에서부터 신뢰성과 최적화를 동시에 고려하는 것에 그 목적이 있다. 본 논문에서는 무선 인터넷, GPS, 무선결제 단말기, 모바일 오피스 등 각각의 단말기 어플리케이션 기술들로 인하여 정보 검색, 자동차 네비게이션, 무선 전자 상거래, 문서 작성 등과 같은 사무를 볼 수 있게 환경을 구축하는 기구를 다룬다. 즉, 설계단계에서부터 신뢰성을 고려하여 최적설계를 수행하는 신뢰성 기반 최적 설계를 이용하여 차량 내에서 무선 인터넷을 즐길 수 있는 차량용 멀티미디어 탑재기구의 최적화된 설계 변수를 얻고자 한다. 일계이차 모멘트 방법에 의해 신뢰성을 평가하였고 성능 평가 함수를 근사적인 명시 함수, 즉 한계상태식으로 표현하고, 한계상태식이 불명확할 때 효율적으로 사용할 수 있는 실험계획법과 반응표면법을 사용하였다. Deterministic optimization methods have advantages simpler and more rapid process than optimization which contains stochastic character. But deterministic optimization methods couldn’t apply fluctuations of objective function and constraints well because of uncertainties from design variables and system parameters. It is different from deterministic optimization that stochastic optimization considers uncertainties of design variables and system parameters which have effects on objective function and constraints. Average life span of products should be long consistently without failure under varies usage and environment conditions. The life span of products is influenced by permitted error of design variables and environmental conditions on products. But designers couldn’t control the environments directly, and product parts have been permitted error definitely. Therefore life span of products has a statistic distribution inevitably. The object of reliability based design optimization is to combine reliability considerations and optimization procedure in a single framework for structural design from design step. This paper deals equipment which can create documents, search information, do car navigation system, and make wireless electronic commerce using each terminal application technology like wireless internet, GPS, wireless settlement, and mobile office. In this paper, I tried to design multimedia equipment loaded in vehicles, based on the reliability based design optimization considering reliability from design step and achieving optimal design. FOSM method is uses to construct limit state function, and DOE and RSM is utilized for exploring the design space and for constructing the regression models to facilitate the effective solution of optimization problems.

전기적 특성을 고려한 전기자동차 버스바 신뢰성 기반 최적설계

손주함 연세대학교 공학대학원 2024 국내석사

전동화라는 변화의 물결 아래에서 전기자동차 시장경쟁은 기존 내연기관 기반의 자동차 제조업체와 새로운 전기자동차 제조업체의 등장으로 과열되고 있다. 이러한 측면에서 버스바는 전기자동차 배터리시스템 내 고전압 연결을 위한 핵심 구성요소이자, 원가절감이 필요한 부품이다. 본 연구에서는 목적함수에 대한 강건성과 제한함수에 대한 신뢰성을 모두 고려한 신뢰성 기반 최적설계(Reliability Based Design Robust Optimization, RBRDO)를 통해, 전기자동차의 안정성과 원가경쟁력을 높이고자 한다. 본 논문에서는 전기자동차의 충돌에 따른 안정성을 고려한 기계적인 특성을 연구모델에 반영하였고, 방대한 수치 및 계산 비용을 줄이기 위해 다구찌 방법에 따른 신호 대 잡음비와 분산분석 그리고 중심합성계획법에 따른 반응표면 근사모델을 활용하였다. 통계적 안정성을 위해 제한조건 함수에 99.865%의 신뢰도를 적용하였고, 목적함수에는 외부 노이즈에 대한 강건성을 부여해 신뢰성 기반 강건 최적설계를 진행하였다. 결과적으로 안전계수를 일괄적으로 반영한 기존 다중목적 최적설계 결과와 비교하였을 때, 3번 설계변수는 -8.33%, 6번 설계변수는 +11.38%, 목적함수인 무게와 온도는 각각 -7.11%, +3.5%만큼 변화하여, 총 목적함수가 1.34% 증가했다. 해당 결과는 안전계수를 반영하지 않은 결과에 비해 신뢰성과 강건성이 확보된 보수적인 설계를 제공하면서, 안전계수(0.1)를 반영한 결과와 비교하면 무게를 -7.11%만큼 줄여 원가절감이 실현되었다. 해당 연구를 통해 전기자동차 배터리시스템의 특성을 반영한 신뢰성 기반 강건 최적설계를 제안하며, 버스바의 설계 및 검증 과정에서 충돌에 따른 안정성, 목적함수에 대한 강건성과 제한함수에 대한 신뢰성이 모두 고려된 원가절감을 실현할 것으로 기대한다. The global electric vehicle (EV) market is contending with increased competition from emerging and established automakers, shifting from traditional internal combustion engine vehicles. The electrical busbar, crucial for high-voltage connections in the battery system, plays a vital role in this evolution. This study responds to the market dynamics by employing reliability-based robust design optimization (RBRDO) methods to enhance EV cost competitiveness, considering the design robustness of objective functions and the reliability of constraints. The article integrates mechanical properties into the design model, focusing on enhancing EV safety, especially in collision scenarios. Utilizing the signal-to-noise ratio with the Taguchi method and a surface response model using central composite design, the approach reduces costs by minimizing the number of design variables and required experiments. RBRDO ensures performance within a confidence level of 99.865%, diminishing performance variability resulting from uncertainties in design variables and parameters. A subsequent comparison with multi-objective design optimization (MODO) employing a safety factor reveals a 7.11% decrease in the first objective function (weight) and a 3.5% increase in the second objective function (temperature), resulting in a 1.34% increase in the total objective function. This study proposes electrical busbar optimization incorporating mechanical properties, aiming for cost competitiveness while ensuring EV safety, design reliability, and robustness throughout the design stages and validation processes.