Structural optimization problems with discrete design variables require more function calculations (or finite element analyses) than those in the continuous design space. In this study, a method to find an optimal solution in the discrete design of the truss structure is presented, reducing the number of function calculations. Because a continuous optimal solution is the Karush-Kuhn-Tucker point that satisfies the optimality condition, it is assumed that the discrete optimal solution is around the continuous optimum. Then, response values such as weight, displacement, and stress are predicted using approximate models-referred to as hybrid metamodels-within specified design ranges. The discrete design method using the hybrid metamodels is used as a post-process of the continuous optimization process. Standard truss design problems of 10-bar, 25-bar, 15-bar, and 52-bar are solved to show the usefulness of this method. The results are compared with those of existing methods.
This paper presents an improved optimal power flow algorithm, which solves an optimization problem with equality constraints with converted inequality constraints. The standard OPF and the penalty function method should do reconstructing active constraints among the inequality constraints so that the activation of the inequality constraints has been imposing an additional burden to solve OPF problem efficiently. However the proposed algorithm converts active inequality constraints into the equality constraints in order to preclude us from reconstructing the procedures. The effectiveness of the new OPF algorithm is validated by applying the IEEE 14 bus system.
KSII Transactions on Internet and Information Systems (TIIS)
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제15권2호
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pp.673-694
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2021
In this paper, we intend to study the energy efficiency (EE) optimization for a simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT)-based distributed antenna system (DAS). Firstly, a DAS-SWIPT model is formulated, whose goal is to maximize the EE of the system. Next, we propose an optimal resource allocation method by means of the Karush-Kuhn-Tucker condition as well as an ergodic method. Considering the complexity of the ergodic method, a suboptimal scheme with lower complexity is proposed by using an antenna selection scheme. Numerical results illustrate that our suboptimal method is able to achieve satisfactory performance of EE similar to an optimal one while reducing the calculation complexity.
Nonlinear Response Optimization using Equivalent Static Loads (NROESL) method/algorithm is proposed to perform optimization of non-linear response structures. It is more expensive to carry out nonlinear response optimization than linear response optimization. The conventional method spends most of the total design time on nonlinear analysis. Thus, the NROESL algorithm makes the equivalent static load cases for each response and repeatedly performs linear response optimization and uses them as multiple loading conditions. The equivalent static loads are defined as the loads in the linear analysis, which generates the same response field as those in non-linear analysis. The algorithm is validated for the convergence and the optimality. The function satisfies the descent condition at each cycle and the NROESL algorithm converges. It is mathematically validated that the solution of the algorithm satisfies the Karush-Kuhn-Tucker necessary condition of the original nonlinear response optimization problem. The NROESL algorithm is applied to two structural problems. Conventional optimization with sensitivity analysis using the finite difference method is also applied to the same examples. The results of the optimizations are compared. The proposed method is very efficient and derives good solutions.
Generally, structural optimization is carried out based on external static loads. All forces have dynamic characteristics in the real world. Mathematical optimization with dynamic loads is extremely difficult in a large-scale problem due to the behaviors in the time domain. In practical applications, it is customary to transform the dynamic loads into static loads by dynamic factors, design codes, and etc. But the optimization results with the unreasonably transformed loads cannot give us good solutions. Recently, a systematic transformation has been proposed as an engineering algorithm. Equivalent static loads are made to generate the same displacement field as the one from dynamic loads at each time step of dynamic analysis. Thus, many load cases are used as the multiple loading conditions which are not costly to include in modem structural optimization. In this research, the proposed algorithm is applied to the optimization of flexible multibody dynamic systems. The equivalent static load is derived from the equations of motion of a flexible multibody dynamic system. A few examples that have been solved before are solved to be compared with the results from the proposed algorithm.
This paper presents an unified chassis control with electronic stability control (ESC) and active front steering (AFS) under lateral force constraint on AFS. When generating the control yaw moment, an optimization problem is formulated in order to determine the tire forces, generated by ESC and AFS. With Karush-Kuhn-Tucker optimality condition, the optimum tire forces can be algebraically calculated. On low friction road, the lateral force in front wheels is easily saturation. When saturated, AFS cannot generate the required control yaw moment. To cope with this problem, new constraint on the lateral tire force is added into the original optimization problem. To check the effectiveness of the propose method, simulation is performed on the vehicle simulation package, CarSim.
Optimization has been successfully applied to systems with a single discipline. As many disciplines are involved in coupled fashion, MDO (multidisciplinary design optimization) technology has been developed. MDO algorithms are trying to solve the coupled aspects generated from interdisciplinary relationship. In a general MDO algorithms, a large design problem is decomposed into small ones which can be easily solved. Although various methods have been proposed for MDO, the research is still in the early stage. This research proposes a new MDO method which is named as MDOIS (Multidisciplinary Design Optimization Based on Independent Subspaces). Many real engineering problems consist of physically separate components and they can be independently designed. The inter-relationship occurs through coupled physics. MDOIS is developed for such problems. In MDOIS, a large system is decomposed into small subsystems. The coupled aspects are solved via system analysis which solves the coupled physics. The algorithm is mathematically validated by showing that the solution satisfies the Karush-Kuhn-Tucker condition.
In this paper, a closed-form formulation for inverse kinematics of robot manipulators with kinematic redundancy under the constrained environment has been derived using the Kuhn-Tucker condition, the extended Lagrange multiplier method and the working set method. The proposed algorithm satisfies the necessaryand sufficient conditions for optimization subject to equality and inequality constraints. In addition, computationally efficient kinematic control methods have been proposed using differential kinemetics and gradient projection mehtod. The effectiveness of the proposed methods has been demonstrated with a 4-dof planar robot, and then a 7-dof spatial robot as a practical application to the nozzle dam task in the Nuclear Power Plant.
In this paper, time-continuous constitutive equations for strain rate-dependent materials are presented first, among which those for the overstress and the consistency viscoplastic models are considered. By allowing the stress states to be outside the yield surface, the overstress viscoplastic model directly defines the flow rule for viscoplastic strain rate. In comparison, a rate-dependent yield surface is defined in the consistency viscoplastic model, so that the standard Kuhn-Tucker loading/unloading condition still remains true for rate-dependent plasticity. Based on the formulation of the consistency viscoplasticity, a computational elasto-viscoplastic constitutive model is proposed for the short fiber-reinforced fresh cementitious paste for extrusion purpose. The proposed constitutive model adopts the von-Mises yield criterion, the associated flow rule and nonlinear strain rate-hardening law. It is found that the predicted flow stresses of the extrudable fresh cementitious paste agree well with experimental results. The rate-form constitutive equations are then integrated into an incremental formulation, which is implemented into a numerical framework based on ANSYS/LS-DYNA finite element code. Then, a series of upsetting and ram extrusion processes are simulated. It is found that the predicted forming load-time data are in good agreement with experimental results, suggesting that the proposed constitutive model could describe the elasto-viscoplastic behavior of the short fiber-reinforced extrudable fresh cementitious paste.
It is complicate to analysis the systems, dual mode hybrid systems, because they are composed of many planetary gear sets. For the performance test, it needs to define the systems with representative parameters. In this paper, system parameters, $\alpha$, $\beta$, $\zeta$, are introduced to define the systems, and an arbitrary system like E-IVT developed by Renault Motors is converted to the general system having equivalent parameters, such as $\beta'$, $R'_b$. Pontryagin principle and Kuhn-Tucker condition method are applied to solve the constrained problems, by which the methodology for accelerating test is generalized, and the results of the simulation are reported. In addition, the effects of alternative strategies are mentioned. The method of fuel economy test at engine mode is also introduced. The results of test at engine mode is different from the results of optimal trajectory, but the fuel economy of the engine mode is related to the highway driving and optimized operating of the system.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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