• 제목/요약/키워드: Adjoint Sensitivity

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A Hybrid ON/OFF Method for Fast Solution of Electromagnetic Inverse Problems Based on Topological Sensitivity

  • Kim, Dong-Hun;Byun, Jin-Kyu
    • Journal of Magnetics
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    • 제16권3호
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    • pp.240-245
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    • 2011
  • A new hybrid ON/OFF method is presented for the fast solution of electromagnetic inverse problems in high frequency domains. The proposed method utilizes both topological sensitivity (TS) and material sensitivity (MS) to update material properties in unit design cells. MS provides smooth design space and stable convergence, while TS enables sudden changes of material distribution when MS slows down. This combination of two sensitivities enables a reduction in total computation time. The TS and MS analyses are based on a variational approach and an adjoint variable method (AVM), which permits direct calculation of both sensitivity values from field solutions of the primary and adjoint systems. Investigation of the formulations of TS and MS reveals that they have similar forms, and implementation of the hybrid ON/OFF method that uses both sensitivities can be achieved by one optimization module. The proposed method is applied to dielectric material reconstruction problems, and the results show the feasibility and effectiveness of the method.

Multi-Point Aerodynamic Shape Optimization of Rotor Blades Using Unstructured Meshes

  • Lee, Sang-Wook;Kwon, Oh-Joon
    • International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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    • 제8권1호
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    • pp.66-78
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    • 2007
  • A multi-point aerodynamic shape optimization technique has been developed for helicopter rotor blades in hover based on a continuous adjoint method on unstructured meshes. The Euler flow solver and the continuous adjoint sensitivity analysis were formulated on the rotating frame of reference. The 'objective function and the sensitivity were obtained as a weighted sum of the values at each design point. The blade section contour was modified by using the Hicks-Henne shape functions. The mesh movement due to the blade geometry change was achieved by using a spring analogy. In order to handle the repeated evaluation of the design cycle efficiently, the flow and adjoint solvers were parallelized based on a domain decomposition strategy. A solution-adaptive mesh refinement technique was adopted for the accurate capturing of the wake. Applications were made to the aerodynamic shape optimization of the Caradonna-Tung rotor blades and the UH-60 rotor blades in hover.

신뢰성을 고려한 효율적인 공력 형상 최적 설계에 대한 연구 (Study of Efficient Aerodynamic Shape Design Optimization with Uncertainties)

  • 김수환;권장혁
    • 한국항공우주학회지
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    • 제34권7호
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    • pp.18-27
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    • 2006
  • 일반적인 신뢰성 최적 설계는 결정론적 최적 설계에 비해 매우 많은 계산비용이 필요하므로 공력 형상 최적화와 같은 큰 문제에 직접 적용하기는 매우 어렵다. 본 연구에서는 이러한 한계를 극복하기 위하여 이점 근사화 기법과 adjoint 민감도 해석 기법을 결합한 효율적인 신뢰성 설계 과정을 제안한다. 이 방법은 계산비용은 결정론적 방법과 거의 동일하지만 계산 결과에 있어서는 기존의 신뢰성 설계 기법과 유사한 결과를 얻을 수 있다. 이를 이용하여 3차원 공력 형상 최적 설계를 매우 효율적으로 수행할 수 있었다.

비정렬 격자계에서 Continuous Adjoint 방정식을 이용한 공력 형상 최적 설계 (Aerodynamic Shape Optimization Using a Continuous Adjoint Formulation on Unstructured Meshes)

  • 이상욱;권오준
    • 한국항공우주학회지
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    • 제30권4호
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    • pp.18-27
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    • 2002
  • 비정렬 격자계에서 continuous adjoint 방정식을 사용하여 비점성 압축성 유동장에서의 이차원 날개꼴에 대한 공력 형상 최적설계를 수행하였다. 정확한 민감도를 구하기 위한 재구성 기법으로는 Laplacian averaging을 사용하였으며, extended stencil을 사용한 최소자승법으로 유동변수의 미분을 구하였다. 또한 유동장과 adjoint 방정식의 적절한 수렴 조건에 대해서 알아보았으며, 이를 이용하여 천음속 비점성 유동장에서 RAE2822 및 NACA0012 날개꼴에 대해서 조파항력 최소화 설계를 수행하였다. 설계된 날개꼴에서 다시 충격파를 복원하는 역설계문제를 적용하여 본 연구에서 사용된 최적설계 기법을 검증하였다.

열전도 문제에 대한 3 차원 구조물의 위상 최적설계 (Topology Design Optimization of Three Dimensional Structures for Heat Conduction Problems)

  • 문세준;조선호
    • 한국전산구조공학회:학술대회논문집
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    • 한국전산구조공학회 2005년도 춘계 학술발표회 논문집
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    • pp.327-334
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    • 2005
  • In this paper, using an adjoint variable method, we develop a design sensitivity analysis (DSA) method applicable to 3-Dimensional heat conduction problems in steady state. Also, a topology design optimization method is developed using the developed DSA method. Design sensitivity expressions with respect to the thermal conductivity are derived. Since the already factorized system matrix is utilized to obtain the adjoint solution, the cost for the sensitivity computation is trivial. For the topology design optimization, the design variables are parameterized into normalized bulk material densities. The objective function and constraint are the thermal compliance of structures and allowable material volume, respectively, Through several numerical examples, the developed DSA method is verified to yield efficiency and accurate sensitivity results compared with finite difference ones. Also, the topology optimization yields physical meaningful results.

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프레임 구조물의 확률론적 동적 민감도 해석에 관한 연구 (A Study on the Stochastic Sensitivity Analysis in Dynamics of Frame Structure)

  • 부경대학교
    • 수산해양기술연구
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    • 제35권4호
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    • pp.435-447
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    • 1999
  • It is main objective of this approach to present a method to analyse stochastic design sensitivity for problems of structural dynamics with randomness in design parameters. A combination of the adjoint variable approach and the second order perturbation method is used in the finite element approach. An alternative form of the constant functional that holds for all times is introduced to consider the time response of dynamic sensitivity. The terminal problem of the adjoint system is solved using equivalent homogeneous equations excited by initial velocities. The numerical procedures are shown to be much more efficient when based on the fold superposition method: the generalized co-ordinates are normalized and the correlated random variables are transformed to uncorrelated variables, whereas the secularities are eliminated by the fast Fourier transform of complex valued sequences. Numerical algorithms have been worked out and proved to be accurate and efficient : they can be readily adapted to fit into the existing finite element codes whose element derivative matrices can be explicitly generated. The numerical results of two cases -2 dimensional portal frame for the comparison with reference and 3-dimensional frame structure - for the deterministic sensitivity analysis are presented.

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대류를 고려한 열전달 시스템의 민감도 해석 및 위상 최적 설계 (Design Sensitivity Analysis and Topology Optimization of Thermal Systems Considering Convection Heat Transfer)

  • 문희곤;왕세명;심호경
    • 대한기계학회:학술대회논문집
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    • 대한기계학회 2004년도 춘계학술대회
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    • pp.1053-1057
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    • 2004
  • This paper presents the adjoint variable design sensitivity analysis for thermal systems considering both conduction and convection heat transfer. Both nodal temperature and total heat flow are considered to be objective functions and design sensitivity formulas are derived for each case. For the case of convection heat transfer, the adjoint analysis is carefully proceeded to obtain a precise result. A topology optimization example is examined for a simple planar square plate in order to design a heat exchanger as verification.

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비선형 열탄성 연성구조의 위상 최적설계 (Topology Design Optimization of Nonlinear Thermo-elastic Structures)

  • 문민영;장홍래;김민근;조선호
    • 한국전산구조공학회논문집
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    • 제23권5호
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    • pp.535-541
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    • 2010
  • 본 연구에서는 정상상태의 비선형 열탄성 문제에 대하여 탄성 계수 및 열전도 계수에 대해서 보조변수법을 이용한 연속체 기반의 설계민감도 방정식을 유도하였고, 온도와 변위장이 연성된 보조방정식을 정의하여 효율적으로 설계민감도 해석을 수행하여 위상 최적설계에 적용하였다. 수치 예제를 통하여 열탄성 문제에서 위상 최적설계가 갖는 요소망 의존성을 살펴보았다. 또한 열 하중이 지배적인 경우와 기계적 하중이 지배적인 경우를 비교하여 다중 물리 연성문제에서 위상 최적설계가 갖는 하중에 대한 의존성을 고찰하였다.

NURBS를 이용한 S형 천음속 흡입관 최적 설계 (OPTIMAL SHAPE DESIGN OF A S-SHAPED SUBSONIC INTAKE USING NURBS)

  • 이병준;김종암
    • 한국전산유체공학회지
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    • 제11권1호
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    • pp.57-66
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    • 2006
  • An optimal shape design approach is presented for a subsonic S-shaped intake using aerodynamic sensitivity analysis. Two-equation turbulence model is employed to capture strong counter vortices in the S-shaped duct more precisely. Sensitivity analysis is performed for the three-dimensional Navier-Stokes equations coupled with two-equation turbulence models using a discrete adjoint method For code validation, the result of the flow solver is compared with experiment data and other computational results of bench marking test. To study the influence oj turbulence models and grid refinement on the duct flow analysis, the results from several turbulence models are compared with one another and the minimum number of grid points, which can yield an accurate solution is investigated The adjoint variable code is validated by comparing the complex step derivative results. To realize a sufficient and flexible design space, NURBS equations are introduced as a geometric representation and a new grid modification technique, Least Square NURBS Grid Approximation is applied With the verified flow solver, the sensitivity analysis code and the geometric modification technique, the optimization of S-shaped intake is carried out and the enhancement of overall intake performance is achieved The designed S-shaped duct is tested in several off-design conditions to confirm the robustness of the current design approach. As a result, the capability and the efficiency of the present design tools are successfully demonstrated in three-dimensional highly turbulent internal flow design and off-design conditions.

설계민감도 해석에서 역전파 방법을 사용한 응력제한조건 위상최적설계 (Stress Constraint Topology Optimization using Backpropagation Method in Design Sensitivity Analysis)

  • 김민근;김석찬;김재승;이재경;이근호
    • 한국전산구조공학회논문집
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    • 제35권6호
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    • pp.367-374
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    • 2022
  • 본 논문에서는 역전파 방법 기반 자동미분법을 이용하여 설계민감도를 구하고 이를 응력제한조건을 고려한 위상최적설계에 적용하였다. 응력제한조건이 있는 위상최적화문제는 특이점(singularity)과 응력의 국부성(local nature of stress constraint)문제, 그리고 설계 변수에 대한 비선형성의 문제를 포함하고 최적해를 얻기가 매우 힘들다. 특이점 문제를 해결하기 위해서 응력 완화(stress relaxation) 기법을 사용하였고, 응력의 국부성을 해결하기 위해 p-norm을 이용한 전역 응력치를 제한조건에 사용하였다. 설계 변수에 대한 비선 형성을 극복하기 위해 해석적인 방법으로 정확한 설계민감도를 구하는 것이 중요하다. 위상최적설계에서 기존에는 보조변수방법 (adjoint variable method)을 사용하여 빠르고 정확한 설계민감도를 구했지만, 설계민감도를 해석적으로 구해야 하고, 보조평형방정식을 추가로 풀어야 하는 어려움이 있다. 이를 해결하기 위해서 인공신경망에서 최적 가중치(weights)와 편차(biases)를 구할 때 쓰이는 역전파 기법을 이용하여 설계민감도를 구하고 이를 응력제한조건을 고려한 위상최적설계에 적용하였다. 역전파 기법은 자동미분에 쓰이는 기법으로 목적함수나 제한조건에 대한 설계민감도를 별도의 수식유도 없이 간단하게 구할 수 있는 장점이 있다. 또한, 미분값을 구하는 역전파의 과정이 보조평형방정식을 푸는 것보다 계산시간이 빠르고 해석적 방법으로 구한 설계민감도와 같은 정확도를 보여준다.