대차프레임의 중량감소를 위한 형상최적설계에 관한 연구

도우석 東亞大學校 大學院 2000 국내석사

최적설계의 목적은 구조물의 안정성 및 요구조건을 만족하면서 최대한 경제적으로 구조물을 설계하는 데 있다. 일반적으로 구조최적설계는 응력, 변위, 고유진동수 등의 제한조건을 만족하며 구조물의 중량을 최소화하는 문제이다. 산업발달과 수송수요의 증가로 철도차량의 고속화, 경량화를 비롯한 제작비 및 유지보수비의 절감을 목표로 끊임없는 기술혁신이 이루어지고 있고, 특히 차량의 구조합리화 및 경량재료의 사용 등이 대차(bogie)에서는 매우 중요하고 필수적인 과제이다. 본 연구에서는 효율적이고 체계적인 경량화를 하기 위하여, 대차프레임 볼스터(bolster)의 리브(rib) 부분에서 도심에 중심을 잡고 타원 형상을 만들어 타원의 장축과, 장축과 단축의 비를 설계변수로 하여 타원의 형상을 변화시킴으로써 형상최적설계를 수행하고, 대차프레임의 위 판과 아래 판의 두께를 설계변수로 하여 치수최적설계를 수행한다. 목적함수는 대차프레임의 체적이고, 제약조건으로는 최대 von-Mises응력과 최대변위가 허용응력과 허용변위를 초과하지 않도록 하였다. 그리고 형상최적설계와 치수최적설계의 결과를 민감도해석을 하여 최적해를 검증하고, 최적화된 모델에 시간 변동하중에 대한 동적하중을 가하여 과도해석을 하여 다음의 결론을 얻었다. (1) 대차프레임 요소의 파괴가 일어나지 않는 범위 내에서 다각형 형상의 면적을 최소화를 할 때, 타원을 이용하여 보다 효과적으로 형상최적화를 수행할 수 있었고, 최적화 수행 후 기존의 대차프레임보다 15.982% 경량화된 최적형상을 얻었다. 그리고, 대차의 경량화는 볼스터의 리브 부분의 형상변화보다 판의 두께변화에 영향을 크게 받음을 알 수 있었다. (2) 형상최적설계에 대한 민감도를 통하여, 체적에 대해서는 최적점 이전에는 k_(dv)에 민감하게 영향을 받으나, 최적점 이후에는 a_(dv)가 지속적으로 영향을 주는 것을 알 수 있었다. 응력과 변위의 변화에서 a_(dv)와 k_(dv)의 영향은 최적점 통과 이전에는 미미하나 최적점 통과 이후에는 민감하게 반응하며 유용영역을 크게 벗어남을 볼 수 있었다. (3) 치수최적설계에 대한 민감도를 통하여, t_(1)은 응력에 대한 영향은 미미하나 체적과 변위는 t_(1)의 변화에 대하여 대체적으로 민감함을 알 수 있었다. t_(2)에 대해서는 보다 전체적으로 민감도가 높음을 알 수 있으며, 전체 구조적 강도인 응력이 t_(2)의 변화에 민감함을 알 수 있었다. (4) 최적형상에 대한 동적하중에서의 거동을 살펴본 결과, 최적설계에서의 제약조건들을 만족하는 응력과 변위를 나타내어 이전의 최적설계가 동적하중 상태에서도 타당함을 알 수 있었다. The optimum design of a structure requires to determine economical member size and shape of a structure which satisfies design conditions and functions. In this study, it is attempted to minimize a dead weight of a bogie frame. Therefore, shape optimization is performed for a bolster rib at first and then size optimization for the thickness of top and bottom plate. For the efficient reduction of a weight of a bogie frame, various ellipses centered at a centroid of a bolster rib are made and tried. For the shape optimization, a major axis and a ratio of a major axis to a minor axis of an ellipse are chosen as design variables. For the size optimization, a thickness of top and bottom plate of a bogie frame are chosen as design variables. The objective function is a volume of a bogie frame and the constraints are that maximum von-Mises stress and displacement are less than allowable stress and displacement From the numerical results of shape and size optimization of a bogie frame, it is known that the weight can be reduced up to 15.982%(688.477kg) with displacement and stress constraints. The sensitivity analysis is performed for the optimum design of shape and size optimization and verified an optimum result. The transient analysis is performed for an optimal bogie frame applied a dynamic load with respect to time.

유전알고리즘을 이용한 다두공작기계 구조물의 최적설계에 관한 연구

옥주선 昌原大學校 産業·情報大學院 2004 국내석사

In this paper, a multi-step optimization using a G.A(Genetic Algorithm) with variable penalty function is introduced to the structural design optimization of a 5-head route machine. The first stage of the design optimization is static design optimization. The following stage is dynamic design optimization stage. In the static optimization stage, the static compliance and weight of the structure are minimized simultaneously under some dimensional constraints and deflection limits. On the other hand, the dynamic compliance and the weight of the machine structure are minimized simultaneously in the dynamic design optimization stage. The proposed design optimization method was successfully applied to the 5-head router machine design optimization. As the results, static and dynamic compliances of the 5-head router machine have decreased by 48.73% and 56.71% respectively compared with the initial design. On the other hand the weight of the structure has increased by 6.06%. However, this increasing result is enough because it satisfy the conditions of the weight constraint.

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.

TRIZ를 이용한 자동차 최적설계 방법에 대한 개념적 연구

한효섭 성균관대학교 일반대학원 2014 국내석사

최근 세계 자동차 산업의 연구·개발에서 고성능, 고연비, 비용절감들이 지속적인 관심의 대상이 되고 있다. 이로 인해 한국의 자동차 업체들도 차량의 요구 성능을 만족하면서 경량화를 위한 연구를 수행하고 있으며, 경량화에 대하여 빠르고 합리적인 성과를 얻기 위한 최적설계의 연구 비중이 점점 증가하고 있다. 자동차경량화를 위한 최적설계는 부품이나 구조의 중량 저감과 성능의 개선을 위한 최적설계의 방법과 함께 자동차의 컨셉에 대한 개념설계부터 최적화의 단계까지 창의성을 활용하여 최대한의 혁신을 이룰 수 있는 방법으로 진행되어야 한다. 하지만 현재의 자동차 최적설계 방법들에서는 창의성을 포함한 방법들을 사용하지 않고 있는 실정이다. 현재 다양한 산업분야에서는 창의성을 활용하기 위한 방법으로 창의적 문제해결이론인 TRIZ를 많이 사용하고 있으며, TRIZ를 자동차 최적설계를 위한 방법으로 사용하기 위해서는 TRIZ가 가지고 있는 한계점들을 다른 기법들과의 연계를 통해 보완해야 한다. 본 논문에서는 자동차 최적설계를 위한 방법으로 창의적 문제해결이론인 TRIZ를 사용하기 위하여 산업차원에서 활용되고 있는 다른 혁신기법들과 종합적인 관점에서 연계하는 개념적인 방법을 제안하고자 한다. Recently, it has been the continuous attention to attain high performance, fuel-efficiency and cost reduction in the research and development of automobile industry in the world. Therefore, automobile manufacturers have also conducted researches for lightweight vehicle which can gratify the performance of criteria in vehicles and, also the importance of optimal design research to obtain the logical outcome on it is increasing by degrees. The optimal design for the lightweight vehicle should be proceeded with the method to fulfill the max innovation that utilizes the creativity from conceptual plans to optimization step with the manner for optimum scheme for the weight reduction and improvement of performance of components or structure. However, the current methods for optimal design of the vehicles does not include creativity. At present, various industry fields employ TRIZ, creative problem-solving theory, as a practical use for creativity, this is to say, it is used to resolve the technical inconsistency occuring from the perspective of engineering than the design method. Thus, to apply TRIZ in the design of lightweight vehicle, the critical points TRIZ has should be supplemented by the link with other different innovation techniques. This paper aims to propose the conceptual method which would be linked from the comprehensive standpoint and other innovative techniques utilized in industry dimension to use TRIZ, creative problem-solving theory, as the method for optimal designing the vehicles.

디텐트 스프링의 최적설계에 관한 연구

김정훈 울산대학교 2014 국내석사

디텐트 스프링은 오토매틱 자동차의 기어작동 레버를 움직일 때 작동하는 부품으로 주차, 후진, 주행모드를 운전자가 선택할 때 상하 반복적으로 작동되는 부품 중의 하나이다. 최근 차량의 대부분이 오토트랜스미션을 부착해서 출고 되는 상황을 볼 때 수요는 많다. 또한 그 부품이 트렌스미션에 포함되어 있어 그것에 대한 고장수리에 대한 어려움과 그 비용의 단가가 높다. 그러므로 디텐트 스프링의 긴 부품수명은 자동차 품질에 있어서 중요한 요소 중의 하나이다. 여기서는 주어진 디텐트 스프링에서 응력, 반력과 최소수명에 영향을 줄 만한 부분들을 선정한다. 그 중 응력에 크게 영향을 주는 부분을 찾아 그것에 대해 CATIA V5의 Generative Structural Analysis 모듈을 이용하여 구조해석을 수행하고, Product engineering Optimizer 모듈을 이용하여 최적설계를 수행하였다. ANSYS Workbench 14.0을 이용하여 최소수명을 구하여 최적화된 치수에서의 응력, 반력과 최소수명간의 상관관계를 밝혔다. 또한, 반복적으로 사용되는 과정에서 디텐트 스프링에 작용하는 하중작용선의 위치 및 각도가 달라질 수 있으므로 그것에 의해 파괴가 일어나는 부위를 예측하였고 하중이 작용하는 수직선의 각도나 위치가 조금만 변하여도 응력집중이 되는 부위가 달라짐을 알 수가 있었다.

라멘構造의 離散形 最適設計에 관한 硏究

박찬규 한밭大學校 産業大學院 2003 국내석사

토목구조물 설계 시 최적설계를 요구하는 목소리가 점점 더 커지는 이 시점에서, 특히 라멘구조의 최적설계는 설계변수가 많고 제약조건이 다양하기 때문에 실용적인 측면에서 효율적으로 이산값을 얻기 위한 연구가 더욱 절실한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 이산설계변수를 처리할 수 있는 Monte Carlo Method를 이용하여 이를 최적화 알고리즘으로 한 최적화 모형을 프로그램화하고, 구조물 총공비를 최소화하는 최적설계로부터 설계변수들의 최적화를 결정하여 다양한 구조형태 및 하중하에 설계변수의 변화를 고찰하고자 한다. 이해 본 알고리즘에 의한 1층 1경간, 1층 2경간의 라멘구조물의 최적화를 하기 위하여 다제약, 다설계 변수에 크게 구애 받지 않고 목적함수가 수렴하는데 1회에서 9회까지 해석-최적화를 반복하므로 반복 시행만을 고려할 때 효율적인 알고리즘이라 판단되며 라멘구조물의 최적화 가능성을 보이고 있음을 알 수 있다. 그리고 1층 1경간 라멘구조의 경우 작용하중을 10ton-50ton 까지 변화를 주었을 때 목적함수는 26.8%-74.6%까지 변화되고, 1층 2경간의 경우도 1층 1경간의 조건과 동일한 방법으로 변화를 주었을 때 목적함수는 33.6%-76%까지 변화되므로, 총경비가 절감되는 효과가 있음을 알 수 있다. 그러므로 본 연구를 통해서 본 바와 같이, Monte Carlo Method에 의한 라멘구조의 이산형 최적설계는 실질적으로 가능하고, 시공 가능한 설계변수로 단면의 폭과 높이 그리고 철근의 단면적을 프로그램화 함으로써 기존의 최적화 프로그램에 의한 설계단면에 비해 현실적인 접근이 훨씬 용이함을 알 수 있다. Today the needs of optimum designs are increasing more and more, when designing the reinforced concrete structures. Because of multi-design variables and multy-variable constraints, the optimum design of Rahmen has needed many efficient studys on the discrete design variables. In this study, by using the Monte Carlo Method which sovled the discrete design variables, the optimizing algorithm and the optimum design problem formulation have been made, the optimization of design variables has been decided, and then the changes of the design variables and the total cost of construction have been examined. This optimizing algorithm has tested repeatedly from 1 to 9, consequently, the objective function converges. This shows that the optimization of Rahmen is possible, when only the repeat test is considered. As a result that the optimizing algorithm has been applyed to Rahmen, in the 1bay-1story the objective function has changed from 26.8% to 74.6% and in the 2bay-1story the objective funtion has changed from 33.6% to 76%. This means that the total cost has been reduced efficiently. Therefore, it is considered that the discrete optimum design of Rahmen is possible practically and economically as compared with existing optimization programs.

리튬이온 배터리 셀의 신뢰성과 강건성 향상 및 에너지밀도 최대화를 위한 신뢰성 기반 강건 최적설계

박진환 건국대학교 대학원 2022 국내석사

리튬이온 배터리(LIB)는 경량, 높은 에너지 및 출력 밀도와 같은 장점으로 인해 전기자동차에 사용이 증가하고 있다. 그러나 LIB 셀 제작과정에서 직면하는 불확실성은 불량률을 증가시키고 셀 간 성능 편차를 유발하여 배터리 용량과 수명 저하를 유발한다. 본 연구에서는 실험계획법과 신뢰성 기반 강건 최적설계 방법론을 사용하여 LIB 셀의 신뢰성과 강건성을 개선하였다. 에너지 밀도와 출력 밀도에 민감한 설계 인자를 실험계획법을 이용한 민감도 분석을 통해 설계 변수로 선정하였다. 신뢰성 기반 강건 최적설계는 에너지 밀도를 최대화하는 동시에 불량률과 셀 간 성능 편차를 저감하기 위해 수행되었다. 신뢰성 기반 강건 최적설계의 신뢰성 및 강건성에 대한 우수성을 검증하기 위해 얻어진 결과를 결정론적 최적설계 및 신뢰성 기반 최적설계의 결과와 비교했다. 신뢰성 기반 강건 최적설계는 결정론적 최적설계에 비해 신뢰도 향상으로 에너지 밀도의 평균을 초기값 대비 33.5% 증가시켰고 불량률을 98.9% 감소시켰다. 또한 신뢰성 기반 강건 최적설계는 신뢰성 기반 최적설계에 비해 향상된 강건성으로 인해 셀 간 성능 편차를 의미하는 에너지 밀도의 표준 편차를 30.0% 줄였다. Lithium-ion batteries (LIBs) are increasingly employed in electric vehicles (EVs) owing to their advantages, such as low weight, and high energy and power densities. However, the uncertainty encountered in the manufacturing of LIB cells increases the failure rate and causes cell-to-cell variations, thereby degrading the battery capacity and lifetime. In this study, the reliability and robustness of LIB cells were improved using the design of experiments (DOE), and the reliability-based robust design optimization (RBRDO) approaches. First, design factors sensitive to the energy density and power density were selected as design variables through sensitivity analysis using the DOE. RBRDO was performed to maximize the energy density while reducing the failure rate and cell-to-cell variations. To verify the superiority of the reliability and robustness offered by RBRDO, the obtained results were compared with those from conventional deterministic design optimization (DDO), and reliability-based design optimization (RBDO). RBRDO increased the mean of the energy density by 33.5% compared to the initial value and reduced the failure rate by 98.9%, due to improved reliability, compared to DDO. Moreover, RBRDO reduced the standard deviation in the energy density (i.e., cell-to-cell variations) by 30.0% due to the improved robustness compared to RBDO.

고무차륜 AGT 시스템 하중을 받는 캔틸레버 공법 PSC 박스 거더의 최적설계

박주건 경북대학교 산업대학원 2008 국내석사

본 논문은 고무차륜 AGT 시스템 하중을 받는 캔틸레버 공법 PSC 박스 거어더교의 구조해석과 최적설계 프로그램을 개발한 것이다. PSC 박스거더의 시간의존효과 및 시공단계를 설계에서 합리적으로 고려하기 위하여 수치해석모델을 소개하였다. 최적설계를 위하여, 캔틸레버 시공단계 및 연속화 시공단계에서의 응력검토를 포함하여 전 시공단계의 설계조건을 만족히는 최적설계 알고리즘을 개발하였다. PSC 박스 거어더의 길이, 철근 단면적 및 단면치수등을 설계변수로 하였고 최적화의 목적함수는 최소경비함수로 하였다. 고무차륜 AGT 시스템 하중을 고려한 캔틸레버 공법 PSC 박스 거어더교 설계의 제약조건은 AASHTO을 사용하였다. SLP, SQP와 SUMT의 최적화 기법 가운데 많은 연구에서 증명되어진 SUMT기법을 사용하였다. 최적설계 예로 최적비용설계와 지간 길이와의 관계등을 조사하였다. This study developed the program for optimum design and structural analysis of PSC Box-Girder Bridges by Cantilever Construction for Vehicle Tires Type AGT System. In order to account for time-dependent effects and construction stages, a numerical model for the analysis of PSC segmental box girders is presented. For optimum design problem, optimum design algorithm is formulated to satisfy all the design criteria during whole construction stages, not only in cantilever construction stages but also in continuity construction stages. The length, reinforced area and section dimensions of crossing zone of the PSC Box-Girder Bridges are made into a design variable. Minimum cost of the structure is used as an objective function for the process of optimization. Design constraints required for the design of PSC Box-Girder Bridges were made to be based on the AASHTO. Among several optimization techniques such as SLP, SQP and SUMT, SUMT which has been proved by many studies is incorporated into the optimum design program. In optimum design examples, optimum cost related to span length is investigated.

연속체 민감도와 B-Spline 매개화를 이용한 전기기기 최적 설계 환경개발

김민호 숭실대학교 대학원 2011 국내석사

본 논문에서는 전기기기의 설계를 위해 연속체 민감도해석과 B-Spline 매개화를 이용하여 최적 설계 환경을 개발 하였다. 전기기기의 전자장 해석을 위한 상용 전자장 소프트웨어로는 COMSOL Script 환경을 활용하였고 최적화 모듈로는 COMSOL Script와 함께 쓰일 수 있는 MATLAB 프로그래밍을 사용하였다. 모듈은 MATLAB내에서 전자장 소프트웨어 시스템의 최적화를 위한 전자장 해석 및 반복계산에 효율적으로 수행될 수 있기 때문에 효율적이다. 설계 과정 중에 전기기기의 형상을 확인 할 수 있으며 B-Spline 매개화를 통하여 설계 변수로 정한 전기기기의 경계면을 매끄러운 형상으로 얻을 수 있다. 최적 설계 환경을 위해 개발된 모듈은 전자석의 공극의 일정영역에 자속밀도를 균일화 하도록 하는 형상을 찾는 최적설계를 통해 실제로 동작여부와 효용성을 검증하였다. In this paper, a unified design environment is developed for optimization of electric machines based on continuum sensitivity. For electromagnetic (EM) system analysis, COMSOL scripting environment is used. Optimization module is developed by MATLAB programming, which can be combined with COMSOL script commands. The modules are combined into one MATLAB project, and iteration process necessary for optimization of EM system can be performed efficiently. During the design process, visual feedback of the current design status is given to the designer. Also, the B-Spline parametrization of the nodal points is implemented to obtain smooth boundary of the device. The developed software is applied to the problem of finding uniform flux density distribution at the air gap of an electromagnet to verify the feasibility and effectiveness.

상수관망에서의 다목적유전알고리즘을 이용한 네트워크 최적설계 연구

김재옥 서울시립대학교 일반대학원 2013 국내석사