To solve the problem of detecting structural damage, a two-stage method using the Kalman filter and Particle Swarm Optimization (PSO) is proposed. In this method, the first PSO population is enhanced using the Kalman filter method based on dynamic responses. Due to noise in the sensor responses and errors in the damage detection process, the accuracy of the damage detection process is reduced. This method proposes a novel approach for solve this problem by integrating the Kalman filter and sensitivity analysis. In the Kalman filter, an approximate damage equation is considered as the equation of state and the damage detection equation based on sensitivity analysis is considered as the observation equation. The first population of PSO are the random damage scenarios. These damage scenarios are estimated using a step of the Kalman filter. The results of this stage are then used to detect the exact location of the damage and its severity with the PSO algorithm. The efficiency of the proposed method is investigated using three numerical examples: a 31-element planer truss, a 52-element space dome, and a 56-element space truss. In these examples, damage is detected for several scenarios in two states: using the no noise responses and using the noisy responses. The results show that the precision and efficiency of the proposed method are appropriate in structural damage detection.
본 논문에서는 균열 진전문제에 대하여 페리다이나믹스 이론을 이용하여 설계민감도 해석 및 구조 최적설계를 수행하였다. 페리다이나믹스는 해의 불연속성을 다루기 어려웠던 기존의 연속체 이론에 비해 균열 진전문제와 같은 불연속성을 가지는 문제를 자연스럽게 표현할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 최적설계를 진행하기 위하여 애조인 변수법으로 설계민감도를 유도하였다. 특히 균열이 진전되더라도 애조인 변수법으로 계산된 변위장과 변형에너지에 대한 설계민감도 값은 유한차분법과 비교하여 매우 정확하고 효율적임을 보였다. 이를 바탕으로 간단한 인장응력 하의 균열진전 문제에 대하여 균열의 분기가 발생하는 위치를 조절하기 위하여 정해진 시간구간에서 변형에너지 값을 줄이는 방향으로 최적설계를 수행하였다. 최적의 재료분포로 해석을 수행한 결과 균열의 분기점을 늦출수 있음을 확인하였다.
An improved multi-level(IML) optimization algorithm using automatic differentiation (AD) for multi-objective optimum design of framed structures is proposed in this paper. In order to optimize the steel frames under seismic load, two main objective functions need to be considered for minimizing the structural weight and maximizing the strain energy. For the efficiency of the proposed algorithm, multi-level optimization techniques using decomposition method that separately utilizes both system-level and element-level optimizations and an artificial constraint deletion technique are incorporated in the algorithm. And also to save the numerical efforts, an efficient reanalysis technique through approximated structural responses such as moments, frequencies, and strain energy with respect to intermediate variables is proposed in the paper. Sensitivity analysis of dynamic structural response is executed by AD that is a powerful technique for computing complex or implicit derivatives accurately and efficiently with minimal human effort. The efficiency and robustness of the IML algorithm, compared with a plain multi-level (PML) algorithm, is successfully demonstrated in the numerical examples.
In this study, the natural frequencies and mode shape of an external mounting pod were verified using the modal analysis and modal testing technique for a pod mounted on an aircraft. The procedure associated with the FEM building of an external mounted pod to predict the dynamic behavior of aircraft structures is described. The simplified FEM reflecting the results of the modal testing of a pod is built through the optimization, applied to the structural dynamic model of an Aircraft, used to verified the stability of vibration and flutter of an aircraft.
The purpose of this paper is the optimum modification of dynamic characteristics of stiffened plate structure including the number of stiffener. This paper shows the optimum structural modification method by dynamic sensitivity analysis and quasi-least squares method and considers it's validity. In the method of the optimization, finite element method, sensitivity analysis and optimum structural modification method are used. The change of natural frequency and total weight are made to be an objective function. Thickness of plate, the number of stiffener and cross section moment of stiffener become a design variable. The dynamic characteristics of stiffened plate structure is analyzed using finite element method. Next, rate of change of dynamic characteristics by the change of design variable is calculated using the sensitivity analysis. Then, amount of change of design variable is calculated using optimum structural modification method. It is shown that the results are effective in the optimum modification for dynamic characteristics of the stiffened plate structure including the number of stiffener.
The dynamic simulation of machine tools and motion control systems has been widely used for optimization, design verification, control design, etc. There are three main streams in dynamic simulation: structural dynamic analysis based onthe finite element method, dynamic motion analysis based on equations of motion, and control system analysis based on transfer functions. Generally, one of these dynamic simulation methods is chosen and employed for specific purposes. In this study, an integrated dynamic simulation is introduced, in which the structure, motion, and control dynamics are combined together. Commercially well-known software is used in the integrated dynamic simulation: ANSYS, ADAMS, and Matlab/Simulink. Using the integrated dynamic simulation, the dynamics of a magnetic bearing stage is analyzed and the causes of oscillation and noise are identified. A controller design for suppressing a flexible dynamic mode is carried out and verified through the integrated dynamic simulation.
The classical optimal control (COC) method has been widely used for linear quadratic regulator (LQR) problems of structural control. However, the equation of motion of the structure is incorporated into the optimization model as the constraint condition for the LQR problem, which needs to be solved through the Riccati equation under certain assumptions. In this study, an explicit optimal control (EOC) method is proposed based on the explicit time-domain method (ETDM). By use of the explicit formulation of structural responses, the LQR problem with the constraint of equation of motion can be transformed into an unconstrained optimization problem, and therefore the control law can be derived directly without solving the Riccati equation. To further optimize the weighting parameters adopted in the control law using the gradient-based optimization algorithm, the sensitivities of structural responses and control forces with respect to the weighting parameters are derived analytically based on the explicit expressions of dynamic responses of the controlled structure. Two numerical examples are investigated to demonstrate the feasibility of the EOC method and the optimization scheme for weighting parameters involved in the control law.
This paper presents the application of a recently developed meta-heuristic algorithm, called Colliding Bodies Optimization (CBO), for size and topology optimization of steel trusses. This method is based on the one-dimensional collisions between two bodies, where each agent solution is considered as a body. The performance of the proposed algorithm is investigated through four benchmark trusses for minimum weight with static and dynamic constraints. A comparison of the numerical results of the CBO with those of other available algorithms indicates that the proposed technique is capable of locating promising solutions using lesser or identical computational effort, with no need for internal parameter tuning.
An efficient multi-level (EML) optimization algorithm using discrete variables of framed structures is proposed in this paper. For the efficiency of the proposed algorithm multi-level optimization techniques using a decomposition method that separates both system-level and element-level are incorporated in the algorithm In the system-level, to save the numerical efforts an efficient reanalysis technique through approximated structural responses such as moments and frequencies with respect to intermediate variables is proposed in the paper. Sensitivity analysis of dynamic structural response is executed by automatic differentiation (AD) that is a powerful technique for computing complex or implicit derivatives accurately and efficiently with minimal human effort. In the element-level, to use AISC W-sections a section search algorithm is introduced. The efficiency and robustness of the EML algorithm, compared with a conventional multi-level (CML) algorithm and single-level genetic algorithm is successfully demonstrated in the numerical examples.
The optimization of active bars' placement and feedback gains of closed loop control system for random intelligent truss structures under non-stationary random excitation is presented. Firstly, the optimal mathematical model with the reliability constraints on the mean square value of structural dynamic displacement and stress response are built based on the maximization of dissipation energy due to control action. In which not only the randomness of the physics parameters of structural materials, geometric dimensions and structural damping are considered simultaneously, but also the applied force are considered as non-stationary random excitation. Then, the numerical characteristics of the stationary random responses of random intelligent structure are developed. Finally, the rationality and validity of the presented model are demonstrated by an engineering example and some useful conclusions are obtained.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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