Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.22
no.3
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pp.259-265
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2009
This paper studies the Element Connectivity Parameterization Method(ECP method) for topology optimization considering dynamic compliance. The previous element density based topology optimization method interpolates Young's modulus with respect to design variables defined in each element for topology optimization. Despite its various applications, these element density based methods suffer from numerical instabilities for nonlinear structure and multiphysics systems. To resolve these instabilities, recently a new numerical method called the Element Connectivity Parameterization(ECP) Method was proposed. Unlike the existing design methods, the ECP method optimizes the connectivities among plane or solid elements and it shows some advantages in topology optimization for both nonlinear structure and multiphysics systems. In this study, the method was expanded for topology optimization for the dynamic compliance by developing a way to model the mass matrix in the framework of the ECP method.
Kim, Yoon-Young;Kim, Jung-Soo;Kang, Yeon-June;Lee, Joong-Seok
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2006.11a
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pp.934-937
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2006
This investigation presents a topology formulation to design optimal poroelastic acoustic foams to maximize absorbing ability. For successful formulation, a single set of equations based on Biot's theory is adopted and an appropriate material interpolation strategy is newly developed. Because there was no earlier attempt to solve poroelastic acoustic foam design problems in topology optimization setting, many challenging issues including modeling and interpolation must be addressed. First, the simulation accuracy by a proposed unified model encompassing acoustic air and poroelastic material was checked against analytical and numerical results. Then a material interpolation scheme yielding a distinct acoustic air-poroelastic material distribution was developed. Using the proposed model and interpolation scheme, the topology optimization of a two-dimensional poroelastic acoustic foam for maximizing its absorption coefficient was carried out. Numerical results show that the absorption capacity of an optimized foam layout considerably increases in comparison with a nominal foam layout.
Khajehzadeh, Mohammad;Taha, Mohd Raihan;Eslami, Mahdiyeh
Structural Engineering and Mechanics
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v.45
no.1
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pp.111-127
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2013
In this paper, a new version of gravitational search algorithm based on opposition-based learning (OBGSA) is introduced and applied for optimum design of reinforced concrete retaining walls. The new algorithm employs the opposition-based learning concept to generate initial population and updating agents' position during the optimization process. This algorithm is applied to minimize three objective functions include weight, cost and $CO_2$ emissions of retaining structure subjected to geotechnical and structural requirements. The optimization problem involves five geometric variables and three variables for reinforcement setups. The performance comparison of the new OBGSA and classical GSA algorithms on a suite of five well-known benchmark functions illustrate a faster convergence speed and better search ability of OBGSA for numerical optimization. In addition, the reliability and efficiency of the proposed algorithm for optimization of retaining structures are investigated by considering two design examples of retaining walls. The numerical experiments demonstrate that the new algorithm has high viability, accuracy and stability and significantly outperforms the original algorithm and some other methods in the literature.
International Journal of Fluid Machinery and Systems
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v.9
no.3
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pp.265-276
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2016
Energy systems working coherently in different conditions may not have a specific design which can provide optimal performance. A system working for a longer period at lower efficiency implies higher energy consumption. In this effort, a methodology demonstrated by a jet pump design and optimization via numerical modeling for fluid dynamics and implementation of an evolutionary algorithm for the optimization shows a reduction in computational costs. The jet pump inherently has a low efficiency because of improper mixing of primary and secondary fluids, and multiple momentum and energy transfer phenomena associated with it. The high fidelity solutions were obtained through a validated numerical model to construct an approximate function through surrogate analysis. Pareto-optimal solutions for two objective functions, i.e., secondary fluid pressure head and primary fluid pressure-drop, were generated through a multi-objective genetic algorithm. For the jet pump geometry, a design space of several design variables was discretized using the Latin hypercube sampling method for the optimization. The performance analysis of the surrogate models shows that the combined surrogates perform better than a single surrogate and the optimized jet pump shows a higher performance. The approach can be implemented in other energy systems to find a better design.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.28
no.9
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pp.1051-1057
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2004
A numerical optimization procedure for the shape of three-dimensional channel with angled ribs mounted on one of the walls to enhance turbulent heat transfer is presented. The response surface method is used as an optimization technique with Reynolds-averaged Wavier-Stokes analyses of flow and heat transfer. SST turbulence model is used as a turbulence closure. Computational results for local heat transfer rate show reasonable agreements with experimental data. The pitch-to-height ratio of the rib and rib height-to-channel height ratio are set to be 9.0 and 0.1, respectively, and width-to-rib height ratio and attack angle of the rib are chosen as design variables. The objective function is defined as a linear combination of heat-transfer and friction-loss related terms with weighting factor. Full-factorial experimental design method is used to determine the data points. Optimum shapes of the channel have been obtained in the range from 0.0 to 0.1 of weighting factor.
In density-based topology optimization, 0/1 solutions are sought. Discrete topological problems are often relaxed with continuous design variables so that they can be solved using continuous mathematical programming. Although the relaxed methods are practical, grey areas appear in the optimum topologies. SIMP (Solid Isotropic Microstructures with Penalization) employs penalty schemes to suppress the intermediate densities. SRV (the Sum of the Reciprocal Variables) drives the solution to a 0/1 layout with the SRV constraint. However, both methods cannot effectively remove all the grey areas. SRV has some numerical aspects. In this work, a new scheme SIMP-SRV is proposed by combining SIMP and SRV approaches, where SIMP is employed to generate an intermediate solution to initialize the design variables and SRV is then adopted to produce the final design. The new method turned out to be very effective in conjunction with the method of moving asymptotes (MMA) when using for the stiffness topology optimization of continuum structures for minimum compliance. The numerical examples show that the hybrid technique can effectively remove all grey areas and generate stiffer optimal designs characterized with a sharper boundary in contrast to SIMP and SRV.
Journal of the Korea Institute of Military Science and Technology
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v.21
no.2
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pp.211-216
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2018
This paper presents a numerical optimization technique and switching phase control technique aiming at improvement of efficiency of the low voltage BLDC motor. The optimization technique is performed using the generalized sensitivity technique, response surface method(RSM) and sampling minimization technique. In order to minimize current consumption of the BLDC motor, the switching method of the driving device is optimized using RSM with finite element analysis. The ratings of BLDC motor are 50 W, 24 V, 1200 rpm. As optimizing results, the input current is reduced from 2.78 to 2.51 [A] when the switching phase is shifted by -2.65 [DEG_ELC] at the rated driving speed of 1200 [rpm]. It is confirmed that the proposed method reduces the consuming current of the low voltage BLDC motor through switching phase control method using the numerical optimization method.
Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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2015.05a
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pp.218-218
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2015
Urbanization and waterworks construction in natural watershed have been causing higher flood risks in lowland areas. Detention basins have become one of the most efficient fundamental instruments for storm water and environmental management at watershed scale. Nowadays, there are many studies coupled numerical methods of flood routing with optimization algorithms to investigate factors that impact on the efficiency of detention basins in flood reduction in a watershed, such as detention basin location, size, and cost and watershed characteristics. Although these couplings have been become more widespread but cumbersome computation and hydraulic data requirement still are their limitations. To tackle the procedure efforts due to numerical integration and data collection, simple approach is proposed to primarily estimate effects of detention basins. The approach basis is the linear system theory applied to the solution of hydrologic flood routing. The paper introduces an analytical method for estimating detention effects deriving by recent studies and innovatively analyses this equation on fractal perspective. Then, an optimization technique is performed by applying harmony search algorithms (HSA) to optimize efficiency of detention basins at watershed scale. The location and size of upstream detention basin are simultaneously obtained. Finally, the proposed methodology, practically applied for a real watershed in Kan river, Iran.
Nguyen, Anh P.;Banh, Thanh T.;Lee, Dongkyu;Lee, Jaehong;Kang, Joowon;Shin, Soomi
Steel and Composite Structures
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v.29
no.5
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pp.635-645
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2018
Beam-column joints play a significant role in static and dynamic performances of reinforced concrete frame structures. This study contributes a numerical approach of topologically optimal design of carbon fiber reinforced plastics (CFRP) to retrofit existing beam-column connections with crack patterns. In recent, CFRP is used commonly in the rehabilitation and strengthening of concrete members due to the remarkable properties, such as lightweight, anti-corrosion and simplicity to execute construction. With the target to provide an optimal CFRP configuration to effectively retrofit the beam-column connection under semi-failure situation such as given cracks, extended finite element method (X-FEM) is used by combining with multi-material topology optimization (MTO) as a mechanical description approach for strong discontinuity state to mechanically model cracked structures. The well founded mathematical formulation of topology optimization problem for cracked structures by using multiple materials is described in detail in this study. In addition, moved and regularized Heaviside functions (MRHF), that have the role of a filter in multiple materials case, is also considered. The numerical example results illustrated in two cases of beam-column joints with stationary cracks verify the validity, benefit and supremacy of the proposed method.
There are recently some advances in solving numerically topology optimization problems for large-scaled trusses based on ground structure approach. A disadvantage of this approach is that the final design usually includes many bars, which is difficult to be produced in practice. One of efficient tools is a so-called filter scheme for the ground structure to reduce this difficulty and determine several distinct bars. In detail, this technique is valuable for practical uses because unnecessary bars are filtered out from the ground structure to obtain a well-defined structure during the topology optimization process, while it still guarantees the global equilibrium condition. This process, however, leads to a singular system of equilibrium equations. In this case, the minimization of least squares with Tikhonov regularization is adopted. In this paper, a proposed algorithm in controlling optimal Tikhonov parameter is considered in combination with the filter scheme due to its crucial role in obtaining solution to remove numerical singularity and saving computational time by using sparse matrix, which means that the discrete optimal topology solutions depend on choosing the Tikhonov parameter efficiently. Several numerical examples are investigated to demonstrate the efficiency of the filter parameter control algorithm in terms of the large-scaled optimal topology designs.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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