The purpose of this study was to develop a new element removal method for ESO (Evolutionary Structural Optimization), which is one of the topology optimization methods. ESO starts with the maximum allowable design space and the optimal topology emerges by a process of removal of lowly stressed elements. The element removal ratio of ESO is fixed throughout topology optimization at 1 or 2%. BESO (bidirectional ESO) starts with either the least number of elements connecting the loads to the supports, or an initial design domain that fits within the maximum allowable domain, and the optimal topology evolves by adding or subtracting elements. But the convergence rate of BESO is also very slow. In this paper, a new element removal method for ESO was developed for improvement of the convergence rate. Then it was applied to the same problems as those in papers published previously. From the results, it was verified that the convergence rate was significantly improved compared with ESO as well as BESO.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2007.05a
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pp.1085-1089
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2007
An acoustic topology optimization method is developed to optimize the acoustic attenuation capability of a muffler. The transmission loss of the muffler is calculated by using the three-point method based on finite element analysis. Each element of the finite element model is assumed to have the variable acoustic properties, which are penalized by a carefully-selected interpolation function to yield clear expansion chamber shapes at the end of topology optimization. The objective of the acoustic topology optimization problem formulated in this work is to maximize the transmission loss at a target frequency. The transmission loss value at a deep frequency of a nominal muffler configuration can be dramatically increased by the proposed optimization method. Optimal muffler configurations are also obtained for other frequencies.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2004.04a
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pp.127-134
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2004
In this paper, using an adjoint variable method, we develop a design sensitivity analysis (DSA) method applicable to heat conduction problems in steady state. Also, a topology design optimization method is developed using the developed DSA method. Design sensitivity expressions with respect to the thermal conductivity are derived. Since the already factorized system matrix is utilized to obtain the adjoint solution, the cost for the sensitivity computation is trivial. For the topology design optimization, the design variables are parameterized into normalized bulk material densities. The objective function and constraint are the thermal compliance of structures and allowable material volume, respectively. Through several numerical examples, the developed DSA method is verified to yield very accurate sensitivity results compared with finite difference ones, requiring less than 0.3% of CPU time far the finite differencing. Also, the topology optimization yields physical meaningful results.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2005.04a
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pp.327-334
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2005
In this paper, using an adjoint variable method, we develop a design sensitivity analysis (DSA) method applicable to 3-Dimensional heat conduction problems in steady state. Also, a topology design optimization method is developed using the developed DSA method. Design sensitivity expressions with respect to the thermal conductivity are derived. Since the already factorized system matrix is utilized to obtain the adjoint solution, the cost for the sensitivity computation is trivial. For the topology design optimization, the design variables are parameterized into normalized bulk material densities. The objective function and constraint are the thermal compliance of structures and allowable material volume, respectively, Through several numerical examples, the developed DSA method is verified to yield efficiency and accurate sensitivity results compared with finite difference ones. Also, the topology optimization yields physical meaningful results.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2005.04a
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pp.309-316
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2005
In this paper, we develop continuum-based design sensitivity analysis (DSA) methods using both direct differential method (DDM) and adjoint variable method (AVM) for non-shape design problems. The developed DSA method is further utilized for the topology design optimization of 3-dimensional structures. In numerical examples, the analytical DSA results are verified using finite difference ones. The topology optimization method yields very reasonable results in physical point of view.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2007.04a
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pp.157-162
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2007
A new level set based topology optimization employing inner-front creation algorithm is presented. In the conventional level set based topology optimization, the optimum topology strongly depends on the initial level set distribution due to the incapability of inner-front creation during optimization process. In the present work, in this regard, an inner-front creation algorithm is proposed. in which the sizes. shapes. positions, and number of new inner-fronts during the optimization process can be globally and consistently identified by considering both the value of a given criterion for inner-front creation and the occupied volume (area) of material domain. To facilitate the inner-front creation process, the inner-front creation map which corresponds to the discrete valued criterion of inner-front creation is applied to the level set function. In order to regularize the design domain during the optimization process, the edge smoothing is carried out by solving the edge smoothing partial differential equation (PDE). Updating the level set function during the optimization process, in the present work, the least-squares finite element method (LSFEM) is employed. As demonstrative examples for the flexibility and usefulness of the proposed method. the level set based topology optimization considering lightweight design of 3D shell structure is carried out.
Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers
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v.20
no.4
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pp.412-418
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2011
Reliability-based Topology optimization(RBTO) is to get an optimal design satisfying uncertainties of design variables. Although RBTO based on homogenization and density distribution method has been done, RBTO based on BESO has not been reported yet. This study presents a reliability-based topology optimization(RBTO) using bi-directional evolutionary structural optimization(BESO). Topology optimization is formulated as volume minimization problem with probabilistic displacement constraint. Young's modulus, external load and thickness are considered as uncertain variables. In order to compute reliability index, four methods, i.e., RIA, PMA, SLSV and ADL(adaptive-loop), are used. Reliability-based topology optimization design process is conducted to obtain optimal topology satisfying allowable displacement and target reliability index with the above four methods, and then each result is compared with respect to numerical stability and computing time. The results of this study show that the RBTO based on BESO using the four methods can effectively be applied for topology optimization. And it was confirmed that DLSV and ADL had better numerical efficiency than SLSV. ADL and SLSV had better time cost than DLSV. Consequently, ADL method showed the best time efficiency and good numerical stability.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2002.04a
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pp.335-342
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2002
A continuum-based design sensitivity analysis (DSA) method fur non-shape problems is developed for geometrically nonlinear elastic structures. The non-shape problem is characterized by the design variables that are not associated with the domain of system like sizing, material property, loading, and so on. Total Lagrangian formulation with the Green-Lagrange strain and the second Piola-Kirchhoff stress is employed to describe the geometrically nonlinear structures. The spatial domain is discretized using the 4-node isoparametric plane stress/strain elements. The resulting nonlinear system is solved using the Newton-Raphson iterative method. To take advantage of the derived analytical sensitivity In topology optimization, a fast and efficient design sensitivity analysis method, adjoint variable method, is employed and the material property of each element is selected as non-shape design variable. Combining the design sensitivity analysis method and a gradient-based design optimization algorithm, an automated design optimization method is developed. The comparison of the analytical sensitivity with the finite difference results shows excellent agreement. Also application to the topology design optimization problem suggests a very good insight for the layout design.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2000.06a
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pp.479-484
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2000
The topology optimization of electromagnetic systems is investigated and the TOPEM (Topology Optimization for Electromagnetic Systems) is developed using the finite element method (FEM). The design sensitivity equation for topology optimization is derived using the adjoint variable method. The proposed method is validated by applying it to the topology optimizations of a C-core actuator and an optical pickup actuator.
Kim, Ho-Soo;Park, Young-Sin;Yang, Myung-Kyu;Lee, Min-Ho;Kim, Jae-Yoon
Journal of Korean Association for Spatial Structures
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v.10
no.4
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pp.59-66
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2010
This study presents the topology optimization technique by density method to determine the initial shape of space truss structures. Most initial shape design is performed by designer's previous experiences and trial and error method instead of the application of reasonable optimization method. Thus, the reasonable and economical optimization methods are needed to be introduced for the initial shape design. Therefore, we set design domain for cantilever space truss structure as an example model. And topology optimization is used to obtain optimum layout for them, and then size optimization method is used to find the optimum member size. Therefore, the reasonable initial optimal shapes of spatial truss structures can be obtained through the topology and size optimization using density method.
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