An Approximation Method for Configuration Optimization of Structures

구조물 형상최적화를 위한 근사해석법에 관한 연구

The objective of this paper is to provide a method of optimizing are as of the members as well as shape of both truss and arch structures. The design process includes satisfaction of stress and Euler buckling stress constraints for truss and combined stress constraints for arch structures. In order to reduce the number of detailed finite element analysis, the Force Approximation Method is used. A finite element analysis of the initial structure is performed and the gradients of the member end forces are calculated with respect to the areas and nodal coordinates. The gradients are used to form an approximate structural analysis based on first order Taylor series expansions of the member end forces. Using move limits, a numerical optimizer minimizes the volume of the structure with information from the approximate structural analysis. Numerical examples are performed and compared with other methods to demonstrate the efficiency and reliability of the Force Approximation Method for shape optimization. It is shown that the number of finite element analysis is greatly reduced and that it leads to a highly efficient method of shape optimization of structures.

본 연구에서는 트러스구조와 아치구조의 부재단면적 및 기하형상을 동시에 최적화하는 효율적인 근사화 방법을 제안하고자 한다. 설계과정 중, 트러스구조에 대해서는 응력제약조건 및 좌굴응력제약조건을 만족하도록 하고, 아치구조에 대해서는 조합응력 제약조건을 만족하도록 하였다. 최적화에 필요한 구조해석의 수를 줄이기 위해 Force Approximation Method를 사용하였다. 초기치에 대한 유한요소해석이 수행된 다음 설계변수인 부재단면적과 절점좌표들에 대한 부재단면력들의 경사를 계산하였고, 그 경사정보를 이용 부재단면력들의 1차 Taylor급수 전개에 근거를 둔 근사구조 해석을 형성하였다. 이동한계법을 적용하였으며, 근사구조해석으로 부터 얻어진 정보에 의해 구조물의 체적을 최소화 하였다. 형상최적화를 위한 제안된 본 방법의 효율성과 신뢰성을 보이기 위해 수치예를 들어 다른 방법들에 의한 결과와 비교하였다. 그 결과 구조해석의 수를 크게 감소시킬 수 있었으며, 구조물 형상최적화에 매우 효율적으로 적용될 수 있음을 알게 되었다.