Optimal Configuration of the Truss Structures by Using Decomposition Method of Three-Phases

3단계(段階) 분할기법(分割技法)에 의한 평면(平面)트러스 구조물(構造物)의 형상(形狀) 최적화(最適化)에 관한 연구(硏究)

In this research, a Three Level Decomposition technique has been developed for configuration design optimization of truss structures. In the first level, as design variables, behavior variables are used and the strain energy has been treated as the cost function to be maximized so that the truss structure can absorb maximum energy. For design constraint of the optimal design problem, allowable stress, buckling stress, and displacement under multi-loading conditions are considered. In the second level, design problem is formulated using the cross-sectional area as the design variable and the weight of the truss structure as the cost function. As for the design constraint, the equilibrium equation with the optimal displacement obtained in the first level is used. In the third level, the nodal point coordinates of the truss structure are used as coordinating variable and the weight has been taken as the cost function. An advantage of the Three Level Decomposition technique is that the first and second level design problems are simple because they are linear programming problems. Moreover, the method is efficient because it is not necessary to carry out time consuming structural analysis and techniques for sensitivity analysis during the design optimization process. By treating the nodal point coordinates as design variables, the third level becomes unconstrained optimal design problems which is easier to solve. Moreover, by using different convergence criteria at each level of design problem, improved convergence can be obtained. The proposed technique has been tested using four different truss structures to yield almost identical optimum designs in the literature with efficient convergence rate regardless of constraint types and configuration of truss structures.

본(本) 연구(硏究)에서는 트러스구조물(構造物)의 효율적(效率的)인 형상최적화(形狀最適化)를 위해서 3단계분할최적화(段階分割最適化) 기법(技法)을 유도(誘導)하였다. 3단계분할최적화(段階分割最適化) 기법(技法)을 적용(適用)하기 위하여 제(第)1단계(段階)에서 설계변수(設計變數)로 목적함수(目的函數)는 구조물(構造物)이 에너지를 최대(最大)로 흡수(吸收)할 수 있도록 변형(變形)에너지를 택하였으며 제약조건식(制約條件式)으로는 허용응력(許容應力), 좌굴응력(挫屈應力), 변위제약(變位制約) 및 다(多) 재하조건(載荷條件)을 고려(考慮)하여 최적화문제(最適化問題)를 형성(形成)하였다. 제(第) 2단계(段階)에서 설계변수(設計變數)는 부재단면적(部材斷面積)으로하여 목적함수(目的函數)는 구조물(構造物)의 중량(重量)이 최소(最小)가 되도록 중량함수(重量函數)를 택하였으며 제약조건식(制約條件式)으로는 제(第)1단계(段階)에서 얻은 최대변위(最大變位)를 대입(代入)한 평형조건식(平衡條件式) 및 다재하조건(多載荷條件)을 고려(考慮)하여 최적화문제(最適化問題)를 형성(形成)하였다. 제(第) 3단계(段階)에서는 조정변수(調整變數)를 절점좌표(節點座標)로 하고 목적함수(目的函數)로는 중량함수(重量函數)로 하여 최적화(最適化) 문제(問題)를 형성(形成)하였다. 이와같이 형성(形成)된 제(第)1, 제(第)2단계(段階)의 최적화(最適化) 문제(問題)는 선형계획문제(線形計劃問題)로 된다. 따라서 3단계(段階) 분할최적화(分割最適化) 기법(技法)은 최적화(最適化) 과정(過程)이 간편(簡便)하고 구조해석(構造解析) 및 감도분석(感度分析)을 위한 기법(技法)을 적용(適用)할 필요(必要)가 없으므로 최적화(最適化) 과정중(過程中) 구조해석(構造解析) 및 감도분석(感度分析)에 요구(要求)되는 시간(時間)을 줄일 수 있는 효율적(效率的)인 기법(技法)이었다. 제(第) 3단계(段階)에서는 절점좌표(節點座標)를 설계변수(設計變數)로 하므로서 무제약최적화문제(無制約最適化問題)로 형성(形成)되므로 최적화과정(最適化過程)이 용이(容易)하다. 또한 본(本) 연구(硏究)는 각(各) 단계(段階)에 각각(各各) 다른 최적화기준(最適化基準)을 사용함으로써 수염속도(收斂速度)를 향상(向上)시키고 있다. 본(本) 연구(硏究)의 기법(技法)을 4종(種)으 트러스 구조물(構造物)에 적용(適用)한 결과 트러스 구조물(構造物)의 형태(形態), 제약조건식(制約條件式)에 구애받지 않고 효율적(效率的)으로 최적해(最適解)에 수염(收斂)함과 동시(同時)에 타(他)의 연구(硏究)와 거의 동일(同一)한 연구결과(硏究結果)를 얻었다.