This paper presents a topology optimization approach using element-free Galerkin method (EFGM) for the optimal design of compliant mechanisms with geometrically non-linearity. Meshless method has an advantage over the finite element method(FEM) because it is more capable of handling large deformation resulted from geometrical nonlinearity. Therefore, in this paper, EFGM is employed to discretize the governing equations and the bulk density field. The sensitivity analysis of the optimization problem is performed by incorporating the adjoint approach with the meshless method. The Lagrange multipliers method adjusted for imposition of both the concentrated and continuous essential boundary conditions in the EFGM is proposed in details. The optimization mathematical formulation is developed to convert the multi-criteria problem to an equivalent single-objective problem. The popularly applied interpolation scheme, solid isotropic material with penalization (SIMP), is used to indicate the dependence of material property upon on pseudo densities discretized to the integration points. A well studied numerical example has been applied to demonstrate the proposed approach works very well and the non-linear EFGM can obtain the better topologies than the linear EFGM to design large-displacement compliant mechanisms.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.11
no.1
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pp.44-51
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2019
Designing sophisticate ship structures that satisfy several design criteria simultaneously with minimum weight and cost is an important engineering issue. For a ship structure composed of a shell and stiffeners, this issue is more serious because their mutual effect has to be addressed. In this study, a two-stage optimization method is proposed for the conceptual design of stiffeners in a ship's prow. In the first stage, a topology optimization method is used to determine a potential stiffener distribution based on the optimal results, whereupon stiffeners are constructed according to stiffener generative theory and the material distribution. In the second stage, size optimization is conducted to optimize the plate and stiffener sections simultaneously based on a parametric model. A final analysis model of the ship-prow structure is presented to assess the validity of this method. The analysis results show that the two-stage optimization method is effective for stiffener conceptual design, which provides a reference for designing actual stiffeners for ship hulls.
Uncertainties are unavoidable in engineering applications. In this paper we propose an alpha reliable multi-variable network design problem under demand uncertainty. In order to decide the optimal capacity enhancement, three performance measures based on 3E(Efficiency, Equity, and Environmental) are considered. The objective is to minimize the total budget required to satisfy alpha reliability constraint of total travel time, equity ratio, and total emission, while considering the route choice behavior of network users. The problem is formulated as the chance-constrained model for application of alpha confidence level and solved as a lexicographic optimization problem to consider the multi-variable. A simulation-based genetic algorithm procedure is developed to solve this complex network design problem(NDP). A simple numerical example ispresented to illustrate the features of the proposed NDP model.
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.50
no.7
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pp.445-454
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2022
Ice accretion on the aircraft components, such as wings, fuselage, and empennage, can occur when the aircraft encounters a cloud zone with high humidity and low temperature. The prevention of ice accretion is important because it causes a decrease in the aerodynamic performance and flight stability, thus leading to fatal safety problems. In this study, a shape design optimization of a multi-element airfoil is performed to minimize the amount of ice accretion on the high-lift device including leading-edge slat, main element, and trailing-edge flap. The design optimization framework proposed in this paper consists of four major parts: air flow, droplet impingement and ice accretion simulations and gradient-free optimization algorithm. Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) simulation is used to predict the aerodynamic performance and flow field around the multi-element airfoil at the angle of attack 8°. Droplet impingement and ice accretion simulations are conducted using the multi-physics computational analysis tool. The objective function is to minimize the total mass of ice accretion and the design variables are the deflection angle, gap, and overhang of the flap and slat. Kriging surrogate model is used to construct the response surface, providing rapid approximations of time-consuming function evaluation, and genetic algorithm is employed to find the optimal solution. As a result of optimization, the total mass of ice accretion on the optimized multielement airfoil is reduced by about 8% compared to the baseline configuration.
Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering
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v.29
no.12
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pp.645-653
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2017
Thermal and flow modeling and fin structure optimization were performed to reduce the weight of an electrical device with a staggered fin. First, a numerical model for thermal and flow characteristics was suggested, and then, the model was verified experimentally. Using the verified model, improvement in cooling performance of the cooling system through the staggered fins was predicted. As a result, 87.5% of total heat generated was dissipated through the cooling fins, and a thermal island was observed in the rotor because of low velocity of the internal air flow through the air gap. In addition, it was confirmed that the staggered fin improves the cooling performance but it also increases the total pressure drop within the cooling system, by maximizing the leading edge effect. Based on this analysis result, the effect of each design parameter on the thermal and flow characteristics was analyzed to select the main optimal design parameters, and multi-objective optimization was performed by considering the cooling performance and the fin weight. In conclusion, the optimized fin structure improved the cooling performance by 7% and reduced the fin weight by 28% without any compromise of the pressure drop.
This paper presents simulation-based analysis of energy flow of a wheel loader. The objective of this study is to analyze the energy flow of a wheel loader during driving and working. Because the wheel loader powertrain consists of a mechanical and hydraulic powertrain, the generated power from the engine is divided into 2 powertrains. Further, a virtual prediction of energy flow in the powertrains is a key factor in terms of optimal design. Accordingly, the simulation model that is able to predict the virtual energy flow is developed and analyzed in this study. The proposed wheel loader simulation model has been constructed in the Matlab/Simulink environment. It is expected that the developed simulation model will analyze the energy flow and efficiency in the design stage.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.31
no.3
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pp.154-164
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1994
In this study, to find an economical production method which yields welded built-up beams with high quality, simulation techniques and optimization method are used. At first, fabrication variables such as welding current, voltage and speed and heated depth and breadth are selected and fabrication cost of a built-up beam is expressed by these parameters, which is optimized under the constraints. As advanced studies, total production cost including the fabrication cost and the material cost of the beam is expressed by the fabrication and design variables, and optimized with the design constraints by the class rules. In addition, assuming that heating for straightening is impossible. the optimization method of multi-objective functions based on the weighting method is applied to obtain the compromised optimal solutions of the total production cost and the welding deformation.
A modified mechanical model of pre-pressed spring self-centering energy dissipation (PS-SCED) brace is proposed, and the hysteresis band is distinguished by the indication of relevant state variables. The MDOF frame system equipped with the braces is formulated in an incremental form of linear acceleration method. A multi-objective genetic algorithm (GA) based brace parameter optimization method is developed to obtain an optimal solution from the primary design scheme. Parameter sensitivities derived by the direct differentiation method are used to modify the change rate of parameters in the GA operator. A case study is conducted on a steel braced frame to illustrate the effect of brace parameters on node displacements, and validate the feasibility of the modified mechanical model. The optimization results and computational process information are compared among three cases of different strategies of parameter change as well. The accuracy is also verified by the calculation results of finite element model. This work can help the applications of PS-SCED brace optimization related to parameter sensitivity, and fulfill the systematic design procedure of PS-SCED brace-structure system with completed and prospective consequences.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.29
no.6
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pp.555-562
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2016
Seismic design of braced frames that simultaneously considers economic issues and structural performance represents a rather complicated engineering problem, and therefore, a systematic and well-established methodology is needed. This study proposes a multi-objective seismic design method for an inverted V-braced frame with suspended zipper struts that uses the non-dominated sorting genetic algorithm-II(NSGA-II). The structural weight and the maximum inter-story drift ratio as the objective functions are simultaneously minimized to optimize the cost and seismic performance of the structure. To investigate which of strength- and performance-based design criteria for braced frames is the critical design condition, the constraint conditions on the two design methods are simultaneously considered (i.e. the constraint conditions based on the strength and plastic deformation of members). The linear static analysis method and the nonlinear static analysis method are adopted to check the strength- and plastic deformation-based design constraints, respectively. The proposed optimal method are applied to three- and six-story steel frame examples, and the solutions improved for the considered objective functions were found.
Blade design optimization of QTP-UAV prop-rotor was conducted using ModelCenter(R). Performance efficiency of the blade in hover and forward flight were adopted as the multi-objective function. Required power and pitch link force applied to constraint in each flight mode and limited lower than the value of the baseline blade. Design variables of root chord length of the blade, taper ratio, twist slope, twist angle at 0.5R of the blade, anhedral angle, parabolic coefficient of a tip shape and location of airfoil were used to generate the blade planform. CAMRAD-II, the comprehensive analysis program of rotorcraft, was used for performance analysis of prop-rotor blade in design process. Performance of the optimized blade improved 1.6% of figure of merit in hover and 13.6% of propulsive efficiency in forward flight. Pitch link force also reduced approximately 30% less than that of the baseline blade.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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