본 연구에서는 복합재료 블레이드에 대한 최적 구조설계 프레임워크를 구성하고, 이를 헬리콥터 블레이드에 적용하여 최적 구조설계를 수행하였다. 단면 형상의 경우 C형 및 D형 스파를 선택할 수 있게 구성하였으며, 최적설계 프레임워크는 유전자 알고리즘과 입자 군집 최적화 알고리즘을 결합한 PSGA를 활용하였다. 단면의 기하학적 모델링은 B-spline을 이용하여 구현하였고, 유한요소 모델 생성 프로그램 Gmsh를 통해 단면 유한요소모델을 만든 뒤 단면 해석 프로그램인 Ksec2D를 사용하여 구조해석 결과를 도출하였다. 본 최적설계 프레임워크를 HART II 블레이드에 적용하여 최적 구조설계를 수행한 결과, C형 스파 모델은 기준 형상 대비 무게 7.39%, D형 스파 모델은 6.65% 감소하였으며, 이때 전단중심은 모두 공력중심과 인접한(5% 이내) 결과를 도출하였다. 본 연구를 통해 일반적인 헬리콥터 블레이드의 단면에 적용할 수 있는 최적 구조설계 프레임워크의 유효성을 확인하였다.
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.
공학적 설계에 있어 많은 문제들은 몇 가지 목적함수들을 동시에 최소화하여야 할 필요가 있을 경우가 있다. 선박설계에 있어, 종래에는 자재비 경감과 재화중량 증가를 위해 최소중량설계가 구조 설계의 주된 목적이었으나, 값싼 노동력을 내세운 후발 조선국과의 치열한 국제 경쟁을 극복하기 위해서는 보다 경제성 있는 선박 건조 기술 개발이 선행되어야 할 것이다. 이에 따라 본 연구에서는 다목적함수 최적화기법을 이용한 선체 구조의 보다 합리적인 설계 방안에 대한 연구를 수행하여 실제 건조된 유조선을 대상으로 중량, 건조비 등의 경제성을 비교 평가하였다. 다목적 함수로는 유조선의 중량과 건조비로 하였으며 최적화 기법으로는 확률론적 탐색법인 ES(Evolution Strategies)를 이용하였다. 건조비 모델은 상대 건조비 개념을 도입하였고, 종강도 부재는 선급규정에 의해, 횡강도 및 횡격벽 부재는 직접해석법인 일반화된 경사처짐법을 사용하여 설계에 적용하였다. 다목적함수 최적화 결과로부터 도출된 Pareto 최적 설계점들에 대하여, 요구운임률을 각각 산정함으로써 이들 최적 설계점들 중에서 가장 경제성이 뛰어난 선박 설계 방안을 제시하였다.
Mechanical components and structures are a major part of complex systems and the conseguences of their failure can be extremely costly. The ultimate goal of design engineers is to optimize these mechanical and structural design from the point of view of cost, reliability, weight, volume, maintainability and safety. An essential requirement of design optimization is to develop mathematical models for reliability at design stage. This paper is to minimize the cost of resources subject to the constraint that the reliability of the system must meet a specified level. The lagrange multiplier method is used to optimize the lognormal stress-lognormal strength problem. This optimization problem can be reduced to a search problem in one variable. A numerical example is presented to illustrate the optimization problem.
This paper proposes an optimum design problem of structural and control systems. taking a 3-D truss structure as an example. The structure is supposed to be subjected to initial static loads and time-varying disturbances. The structure is controlled by a state feedback $H_{\infty}$ controller to suppress the effect of the disturbances. The design variables are the cross sectional areas of truss members. The structural objective function is the structural weight. As the control objective, we consider two types of performance indices. The first function represents the effect of the initial loads. The second one is the norm of the feedback gain. These objective functions are in conflict with each other. Then, first, two control objective functions are transformed into one control objective by the weighting method. Next, the structural objective is treated as the constraint. By introducing the second control objective which considers the magnitude of the feedback gain, we can per limn the design which is robust in modeling errors.
It is necessary to develop an efficient optimization technique to optimize engineering structures that have given design spaces, discrete design values, and several design goals. In this study, an optimum algorithm based on the genetic algorithm was applied to the multi-object problem to obtain an optimum solution that simultaneously minimizes the structural weight and construction cost of panel blocks in ship structures. The cost model was used in this study, which includes the cost of adjusting the weld-induced deformation and applying the deformation control methods, in addition to the cost of the material and the welding cost usually included in the normal cost model. By using the proposed cost model, more realistic optimum design results can be expected.
A method of optimum design based on reliability for antenna structures is presented in this paper. By constructing the equivalent event, the formula is derived for calculating the reliability of reflector accuracy of antenna under the action of random wind load. The optimal model is developed, in which the cross sectional areas of member are treated as design variables, the structure weight as objective function, the reliability of reflector accuracy and the strength or stability of structural elements as constraints. The improved accelerated convergence gradient algorithm developed by the author is used. The design results show that the method in this paper is feasible and effective.
In this study, the three different meta-heuristics namely the Grey Wolf Optimizer (GWO), Stochastic Fractal Search (SFS), and Adaptive Differential Evolution with Optional External Archive (JADE) algorithms are examined. This study considers optimization of the planer frame to minimize its weight subjected to the strength and displacement constraints as per the American Institute of Steel and Construction - Load and Resistance Factor Design (AISC-LRFD). The GWO algorithm is associated with grey wolves' activities in the social hierarchy. The SFS algorithm works on the natural phenomenon of growth. JADE on the other hand is a powerful self-adaptive version of a differential evolution algorithm. A one-bay ten-story planar steel frame problem is examined in the present work to investigate the design ability of the proposed algorithms. The frame design is produced by optimizing the W-shaped cross sections of beam and column members as per AISC-LRFD standard steel sections. The results of the algorithms are compared. In addition, these results are also mapped with other state-of-art algorithms.
The doctor blade is equipped in a toner cartridge and is a device to maintain the uniform thickness of a toner by controlling the pressure on the developing roller. The contact pressure between the developing roller and the doctor blade is one of the significant factors for image quality and durability of toner cartridge. The purpose of this study is to develop approximation model in order to minimize the time and cost which are needed much required in making optimal design of the doctor blade. Central composite design was used for the design of experiment and response surface design was used for approximation. The data for contact pressure were acquired through finite element analysis and data of image density and toner weight were acquired through experiment. The approximation model developed in this study has presented very high fitness.
The paper describes the use of genetic algorithms (GA's) to the minimum weight design of stiffened composite panels for buckling constraints. The proposed design problem is characterized by mixture of continuous and discrete design variables corresponding to panel elements and stacking sequence of laminates, respectively. Design space is multimodal and non-convex, thereby introducing the need for global search strategies. Advanced strategies in GA's such as directed crossover, multistage search and separated crossover are adopted to improve search ability and to save computational resource requirements. The paper explores the effectiveness of genetic algorithms and their advanced strategies in designing stiffened composite panels under various uniaxial compressive load conditions and the linrlit on stacking sequence of laminates.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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