Polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cell stacks are constructed by stacking several to hundreds of unit cells depending on their power outputs required. Fuel and oxidant are distributed to each cell of a stack through so-called manifolds during its operation. In designing a stack, if the manifold sizes are too small, the fuel and oxidant would be maldistributed among the cells. On the contrary, the volume of the stack would be too large if the manifolds are oversized. In this study, we present a three-dimensional computational fluid dynamics (CFD) model with a geometrically simplified flow-field to optimize the size of the manifolds of a stack. The flow-field of the stack was simplified as a straight channel filled with porous media to reduce the number of computational meshes required for CFD simulations. Using the CFD model, we determined the size of the oxidant manifold of a 30 kW-class PEM fuel cell stack that comprises 99 cells. The stack with the optimal manifold size showed a quite uniform distribution of the cell voltages across the entire cells.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.13
no.2
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pp.83-91
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2003
Pantograph design Process must be considered in terms of stability of aerodynamics and reduction of aeroacoustics. Furthermore pantograph needs to be insensible to severe circumstance condition like typhoon, tunnel, a change of season. In this paper, robust design of panhead sections is conducted based on the Taguchi's design of experiment method. In the aeroacoustic noise analysis, an acoustic analogy using the Ffowcs Williams and Hawkings(FW-H) equation is used to calculate the flow induced sound pressure level in aeroacoustics. From the near-field CFD analysis data, the far-field noise is predicted at the positions of 25 m away from Pantograph. Based on aerodynamic(CFD) and aeroacoustic(FW-H) analysis data, the optimal sizing and Positioning of panhead elements are determined using robust design optimization method. Design parameters such as thickness, length and radius are controllable factors, while outdoor air temperature and atmospheric pressure are considered as uncontrollable factors in the context of Taguchi's approach. A number of CFD simulation and aeroacoustic analysis are performed based on orthogonal arrays. In this paper, two-step optimization method is used as a parameter design procedure. It is executed using signal to noise(S/N) ratio and analysis of means(ANOM) method. So Thus, an optimal level of design parameters Is extracted to minimize the disconnection ration between contact strips and catenary system, and reduce the far-field aeroacoustic noise.
A simple nonlinear programming(NLP) formulation for the optimal topology problem of structures is developed and examined. The NLP formulation is general, and can handle arbitrary objective functions and arbitrary stress, displacement constraints under multiple loading conditions. The formulation is based on simultaneous analysis and design approach to avoid stiffness matrix singularity resulting from zero sizing variables. By embedding the equilibrium equations as equality constraints in the nonlinear programming problem, we avoid constructing and factoring a system stiffness matrix, and hence avoid its singularity. The examples demonstrate that the formulation is effective for finding an optimal solution, and shown to be robust under a variety of constraints.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2001.11b
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pp.1235-1241
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2001
Pantograph design process must be considered in terms of stability of aerodynamics and reduction of aeroacoustics. Furthermore Pantograph needs to be insensible to severe circumstance condition like typhoon, tunnel, a change of season. In this paper, robust design of panhead sections is conducted based on the Taguchi's design of experiment method. In the aeroacoustic noise analysis, an acoustic analogy using the Ffowcs Williams and Hawkings (FW-H) equation is used to calculate the flow induced sound pressure level. From the near-field CFD analysis data, the far-field noise is predicted at the positions of 25m away from panhead contact strips. Based on aerodynamic (CFD) and aeroacoustic (FW-H) analysis data, the optimal sizing and positioning ofpanhead elements are determined using robust design optimization method. Design parameters such as thickness, length and radius are controllable factors, while outdoor air temperature and atmospheric pressure are considered as uncontrollable factors in the context of Taguchi's approach. A number of CFD simulation and aeroacoustic analysis are performed based on orthogonal arrays. Using a parameter design procedure associated with signal-to-noise (SIN) ratio and sensitivity analysis, an optimal level of design parameters are extracted to minimize the disconnection ratio between contact strips and catenary system, and reduce the far-field aeroacoustic noise.
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.14
no.12
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pp.24-29
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1997
Recently, Genetic Algorithm(GA), which is a stochastic direct search strategy that mimics the process of genetic evolution, is widely adapted into a search procedure for structural optimization. Contrast to traditional optimal design techniques which use design sensitivity analysis results, GA is very simple in their algorithms and there is no need of continuity of functions(or functionals) any more in GA. So, they can be easily applicable to wide area of design optimization problems. Also, owing to multi-point search procedure, they have higher porbability of convergence to global optimum compared to traditional techniques which take one-point search method. The methods consist of three genetics opera- tions named selection, crossover and mutation. In this study, a method of finding the omtimum size and topology of drilling machine is proposed by using the GA, For rapid converge to optimum, elitist survival model,roulette wheel selection with limited candidates, and multi-point shuffle cross-over method are adapted. And pseudo object function, which is the combined form of object function and penalty function, is used to include constraints into fitness function. GA shows good results of weight reducing effect and convergency in optimal design of drilling machine.
Kim, Seung-Jin;Kim, Hyeong-Gon;Lee, Jong-Su;Gang, Sin-Il
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.25
no.3
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pp.537-547
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2001
The paper proposes the fuzzy logic global approximate optimization strategies in optimal sizing of automotive A-pillar trim with rib structures for occupant head protection. Two different strategies referred to as evolutionary fuzzy modeling (EFM) and neuro-fuzzy modeling (NFM) are implemented in the context of global approximate optimization. EFM and NFM are based on soft computing paradigms utilizing fuzzy systems, neural networks and evolutionary computing techniques. Such approximation methods may have their promising characteristics in a case where the inherent nonlinearity in analysis model should be accommodated over the entire design space and the training data is not sufficiently provided. The objective of structural design is to determine the dimensions of rib in A-pillar, minimizing the equivalent head injury criterion HIC(d). The paper describes the head-form modeling and head impact simulation using LS-DYNA3D, and the approximation procedures including fuzzy rule generation, membership function selection and inference process for EFM and NFM, and subsequently presents their generalization capabilities in terms of number of fuzzy rules and training data.
The carbon fiber has been damaged via tow spreading process for carbon fiber spread tow. The fiber damage is caused by friction between equipment and fibers or between fibers and fibers in the process of spreading. As a result, mechanical properties are decreased due to differences in process via material and equipment condition. Therefore, minimizing fiber damage have to be considered in the process. In this study, the change in carbon fiber pneumatic spreading process was observed by according to the filament count, sizing content of carbon fiber and process variables in spreading equipment (fiber tension at the beginning, air temperature in spreading zone, vacuum pressure in spreading zone). Tensile strength was evaluated using samples prepared under optimal conditions for each of the carbon fiber varieties, and mechanical properties were reduced due to damage on the carbon fiber.
Kim, Koon-Tae;Nam, Yeong-Bin;Oh, Seung-Hun;Lee, Jung-Hyeok;Kang, Seong-In;Kim, Hyeong-Seok
Journal of The Institute of Information and Telecommunication Facilities Engineering
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v.11
no.2
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pp.34-38
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2012
In this paper, the particle swarm optimization (PSO) algorithm is adopted to design a modified ring-slot type patch rectenna with a resonance frequency of 2.45GHz. In order to accomplish minimization of dimensions and circular polarization (CP) and harmonic suppression, axial direction slits and side-cuts are added to the patch of the ring. The PSO manipulated this kind of multi-dimensional problem very well, and as a result, the designed rectenna shows a desirable performance of return loss of 21.36dB and axial ratio of 2.92dB at the frequency of 2.45GHz with compact sizing.
Journal of the Korean Society of Industry Convergence
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v.7
no.4
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pp.383-389
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2004
This paper is to develop the program for sizing of a counter-flow cooling tower. Air flow, air exit tmperature, fan power are calculated from design coditions of cooling tower by using this program. The basic equations and solutions of the heat transfer and pressure drop of cooling tower are descrived and the algorithm development for design of cooling tower is performed. The variation of fan power of cooling tower in acoording to variation of cell area and fill height is performed by using this program. This result shows that the optimal design for install and running cost of cooling tower can be performed by using this program.
Recently, the module-integrated converter has shown an interest in the photovoltaic generation system. In this system, the high frequency transformer should be compact and efficient. The proposed method is based on the correlation characteristic between the copper and core loss to minimize the loss of transformer. By sizing an effective cross-sectional area and window area of core, the amount of loss is minimized. This paper presents the design and analysis of high frequency transformer by using the 3D finite element model coupled with DC-DC converter circuit for more accurate analysis by considering the nonlinear voltage and current waveforms in converter circuit. The current waveform in each winding is realized by using the ideal DC voltage source and switching component. And, the thermal analysis is performed to satisfy the electrical and thermal design criteria.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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