• 한국전산구조공학회논문집
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• 제35권6호
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• pp.367-374
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• 2022

본 논문에서는 역전파 방법 기반 자동미분법을 이용하여 설계민감도를 구하고 이를 응력제한조건을 고려한 위상최적설계에 적용하였다. 응력제한조건이 있는 위상최적화문제는 특이점(singularity)과 응력의 국부성(local nature of stress constraint)문제, 그리고 설계 변수에 대한 비선형성의 문제를 포함하고 최적해를 얻기가 매우 힘들다. 특이점 문제를 해결하기 위해서 응력 완화(stress relaxation) 기법을 사용하였고, 응력의 국부성을 해결하기 위해 p-norm을 이용한 전역 응력치를 제한조건에 사용하였다. 설계 변수에 대한 비선 형성을 극복하기 위해 해석적인 방법으로 정확한 설계민감도를 구하는 것이 중요하다. 위상최적설계에서 기존에는 보조변수방법 (adjoint variable method)을 사용하여 빠르고 정확한 설계민감도를 구했지만, 설계민감도를 해석적으로 구해야 하고, 보조평형방정식을 추가로 풀어야 하는 어려움이 있다. 이를 해결하기 위해서 인공신경망에서 최적 가중치(weights)와 편차(biases)를 구할 때 쓰이는 역전파 기법을 이용하여 설계민감도를 구하고 이를 응력제한조건을 고려한 위상최적설계에 적용하였다. 역전파 기법은 자동미분에 쓰이는 기법으로 목적함수나 제한조건에 대한 설계민감도를 별도의 수식유도 없이 간단하게 구할 수 있는 장점이 있다. 또한, 미분값을 구하는 역전파의 과정이 보조평형방정식을 푸는 것보다 계산시간이 빠르고 해석적 방법으로 구한 설계민감도와 같은 정확도를 보여준다.

• 한국전산구조공학회논문집
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• 제28권4호
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• pp.425-431
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• 2015

본 논문에서는 균열 진전문제에 대하여 페리다이나믹스 이론을 이용하여 설계민감도 해석 및 구조 최적설계를 수행하였다. 페리다이나믹스는 해의 불연속성을 다루기 어려웠던 기존의 연속체 이론에 비해 균열 진전문제와 같은 불연속성을 가지는 문제를 자연스럽게 표현할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 최적설계를 진행하기 위하여 애조인 변수법으로 설계민감도를 유도하였다. 특히 균열이 진전되더라도 애조인 변수법으로 계산된 변위장과 변형에너지에 대한 설계민감도 값은 유한차분법과 비교하여 매우 정확하고 효율적임을 보였다. 이를 바탕으로 간단한 인장응력 하의 균열진전 문제에 대하여 균열의 분기가 발생하는 위치를 조절하기 위하여 정해진 시간구간에서 변형에너지 값을 줄이는 방향으로 최적설계를 수행하였다. 최적의 재료분포로 해석을 수행한 결과 균열의 분기점을 늦출수 있음을 확인하였다.

• Journal of Magnetics
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• 제16권3호
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• pp.240-245
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• 2011

A new hybrid ON/OFF method is presented for the fast solution of electromagnetic inverse problems in high frequency domains. The proposed method utilizes both topological sensitivity (TS) and material sensitivity (MS) to update material properties in unit design cells. MS provides smooth design space and stable convergence, while TS enables sudden changes of material distribution when MS slows down. This combination of two sensitivities enables a reduction in total computation time. The TS and MS analyses are based on a variational approach and an adjoint variable method (AVM), which permits direct calculation of both sensitivity values from field solutions of the primary and adjoint systems. Investigation of the formulations of TS and MS reveals that they have similar forms, and implementation of the hybrid ON/OFF method that uses both sensitivities can be achieved by one optimization module. The proposed method is applied to dielectric material reconstruction problems, and the results show the feasibility and effectiveness of the method.

• 한국항공우주학회지
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• 제33권1호
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• pp.1-10
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• 2005

비정렬 격자계에서 continuous adjoint 방정식을 사용하여 제자리 비행을 하는 헬리콥터 로터 블레이드에 대한 공력 형상 최적설계 기법을 개발하였다. 효율적인 민감도 계산을 위해 회전좌표계에서 continuous adjoint 민감도 해석 기법을 유도하였다. 설계과정의 반복적인 수치계산의 효율을 높이기 위해서 영역 분할 기법에 기반을 둔 병렬처리 기법을 도입하였다. 끝단 와류의 정확한 포착을 위해서 끝단와류를 따른 격자적응을 수행하였다. 이러한 방법은 Caradonna와 Tung의 실험형상 및 UH60 헬리콥터 로터 블레이드의 공력 최적설계에 적용되었으며, 본 연구에서 사용된 최적설계 기법을 이용하면 일정한 추력을 유지하면서 요구동력을 현저하게 줄일 수 있음을 보였다.

• 한국항공우주학회지
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• 제30권4호
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• pp.18-27
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• 2002

비정렬 격자계에서 continuous adjoint 방정식을 사용하여 비점성 압축성 유동장에서의 이차원 날개꼴에 대한 공력 형상 최적설계를 수행하였다. 정확한 민감도를 구하기 위한 재구성 기법으로는 Laplacian averaging을 사용하였으며, extended stencil을 사용한 최소자승법으로 유동변수의 미분을 구하였다. 또한 유동장과 adjoint 방정식의 적절한 수렴 조건에 대해서 알아보았으며, 이를 이용하여 천음속 비점성 유동장에서 RAE2822 및 NACA0012 날개꼴에 대해서 조파항력 최소화 설계를 수행하였다. 설계된 날개꼴에서 다시 충격파를 복원하는 역설계문제를 적용하여 본 연구에서 사용된 최적설계 기법을 검증하였다.

• International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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• 제8권1호
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• pp.66-78
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• 2007

A multi-point aerodynamic shape optimization technique has been developed for helicopter rotor blades in hover based on a continuous adjoint method on unstructured meshes. The Euler flow solver and the continuous adjoint sensitivity analysis were formulated on the rotating frame of reference. The 'objective function and the sensitivity were obtained as a weighted sum of the values at each design point. The blade section contour was modified by using the Hicks-Henne shape functions. The mesh movement due to the blade geometry change was achieved by using a spring analogy. In order to handle the repeated evaluation of the design cycle efficiently, the flow and adjoint solvers were parallelized based on a domain decomposition strategy. A solution-adaptive mesh refinement technique was adopted for the accurate capturing of the wake. Applications were made to the aerodynamic shape optimization of the Caradonna-Tung rotor blades and the UH-60 rotor blades in hover.

• Journal of Mechanical Science and Technology
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• 제14권2호
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• pp.197-206
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• 2000

A boundary integral equation method in the shape design sensitivity analysis is developed for the elasticity problems with axisymmetric non-homogeneous bodies. Functionals involving displacements and tractions at the zonal interface are considered. Sensitivity formula in terms of the interface shape variation is then derived by taking derivative of the boundary integral identity. Adjoint problem is defined such that displacement and traction discontinuity is imposed at the interface. Analytic example for a compound cylinder is taken to show the validity of the derived sensitivity formula. In the numerical implementation, solutions at the interface for the primal and adjoint system are used for the sensitivity. While the BEM is a natural tool for the solution, more generalization should be made since it should handle the jump conditions at the interface. Accuracy of the sensitivity is evaluated numerically by the same compound cylinder problem. The endosseous implant-bone interface problem is considered next as a practical application, in which the stress value is of great importance for successful osseointegration at the interface. As a preliminary step, a simple model with tapered cylinder is considered in this paper. Numerical accuracy is shown to be excellent which promises that the method can be used as an efficient and reliable tool in the optimization procedure for the implant design. Though only the axisymmetric problem is considered here, the method can be applied to general elasticity problems having interface.

• 한국항공우주학회지
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• 제36권2호
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• pp.99-104
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• 2008

본 연구에서는 신경망에 기반한 불확실성 모델을 이용하여 전투기 날개 형상의 강건 최적 설계를 수행하였다. 불확실성 모델을 구축하기 위하여 공력성능과 이들의 민감도 정보를 중심합성법으로 선정된 실험점에서 구하였으며, 이 때 3차원 오일러 방정식과 adjoint변수방법이 사용되었다. 또한 비선형성 모사능력이 뛰어난 신경망모델을 이용함으로써 공력성능계수의 민감도 정보를 효율적이고 정확하게 예측하는 것이 가능하였다. 이와 같은 방법으로 구하여진 강건 최적 설계 결과로부터, 불확실성 모델의 변동과 신뢰도 수준의 변화가 증가할수록 목적함수 및 제약조건에 대한 강건성이 향상되는 것을 확인할 수 있었다.

• 수산해양기술연구
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• 제35권4호
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• pp.435-447
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• 1999

It is main objective of this approach to present a method to analyse stochastic design sensitivity for problems of structural dynamics with randomness in design parameters. A combination of the adjoint variable approach and the second order perturbation method is used in the finite element approach. An alternative form of the constant functional that holds for all times is introduced to consider the time response of dynamic sensitivity. The terminal problem of the adjoint system is solved using equivalent homogeneous equations excited by initial velocities. The numerical procedures are shown to be much more efficient when based on the fold superposition method: the generalized co-ordinates are normalized and the correlated random variables are transformed to uncorrelated variables, whereas the secularities are eliminated by the fast Fourier transform of complex valued sequences. Numerical algorithms have been worked out and proved to be accurate and efficient : they can be readily adapted to fit into the existing finite element codes whose element derivative matrices can be explicitly generated. The numerical results of two cases -2 dimensional portal frame for the comparison with reference and 3-dimensional frame structure - for the deterministic sensitivity analysis are presented.

• Journal of Mechanical Science and Technology
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• 제16권8호
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• pp.1102-1108
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• 2002

In this study, a topological design sensitivity of the ai. bearing surface (ABS) is suggested by using an adjoint variable method. The discrete form of the generalized lubrication equation based on a control volume formulation is used as a compatible condition. A residual function of the slider is considered as an equality constraint function, which represents the slider in equilibrium. The slider thickness parameters at all grid cells are chosen as design variables since they are the topological parameters determining the ABS shape. Then, a complicated adjoint variable equation is formulated to directly handle the highly nonlinear and asymmetric coefficient matrix and vector in the discrete system equation of air-lubricated slider bearings. An alternating direction implicit (ADI) scheme is utilized for the numerical calculation. This is an efficient iterative solver to solve large-scale problem in special band storage. Then, a computer program is developed and applied to a slider model of a sophisticated shape. The simulation results of design sensitivity analysis (DSA) are directly compared with those of FDM at the randomly selected grid cells to show the effectiveness of the proposed approach. The overall distribution of DSA results are reported, clearly showing the region on the ABS where special attention should be given during the manufacturing process.