Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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제23권4호
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pp.574-582
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1999
This paper discusses the multi-level optimization method in dynamic optimization problems through stiffened plate of ship structures. In structural optimization the computational cost increases rapidly as the number of design variables increases. And we need a great amount of cal-culation and time on problems of modified dynamic characteristics of large and complicated struc-tures. In this paper the multi-level optimization is proposed which decreases computational time and cost. the dynamic optimum designs of stiffened plate that control the natural frequency and minimize weight subjected to constraints condition are derived. The way to apply the multi-level optimization methods in this study follow: In the first step the dynamic characteristics is controlled for the two-dimensional model of stiffened plate by sensitivity analysis and quasi-least squares methods. In the second step the cross-section of the stiffener is decided so that the weight is minimized under needed constraints by the steepest descent or ascent method. In the third the three-dimensional model is made based on the results of the first step and the second step confirmation and finer tuning of the objective function are carried out. It is shown that the results are effective in the optimum modification for dynamic characteristics of the stiffened plate.
The structural dynamic optimization problem based on probability is studied. Considering the randomness of structural physical parameters and the given constraint values, we develop a dynamic optimization mathematical model of engineering structures with the probability constraints of frequency, forbidden frequency domain and the vibration mode. The sensitivity of structural dynamic characteristics based on probability is derived. Two examples illustrate that the optimization model and the method applied are rational and efficient.
All the forces in the real world act dynamically on structures. Design and analysis should be performed based on the dynamic loads for the safety of structures. Dynamic (transient or vibrational) responses have many peaks in the time domain. Topology optimization, which gives an excellent conceptual design, mainly has been performed with static loads. In topology optimization, the number of design variables is quite large and considering the peaks is fairly costly. Topology optimization in the frequency domain has been performed to consider the dynamic effects; however, it is not sufficient to fully include the dynamic characteristics. In this research, linear dynamic response topology optimization is performed in the time domain. First, the necessity of topology optimization to directly consider the dynamic loads is verified by identifying the relationship between the natural frequency of a structure and the excitation frequency. When the natural frequency of a structure is low, the dynamic characteristics (inertia effect) should be considered. The equivalent static loads (ESLs) method is proposed for linear dynamic response topology optimization. ESLs are made to generate the same response field as that from dynamic loads at each time step of dynamic response analysis. The method was originally developed for size and shape optimizations. The original method is expanded to topology optimization under dynamic loads. At each time step of dynamic analysis, ESLs are calculated and ESLs are used as the external loads in static response topology optimization. The results of topology optimization are used to update the design variables (density of finite elements) and the updated design variables are used in dynamic analysis in a cyclic manner until the convergence criteria are satisfied. The updating rules and convergence criteria in the ESLs method are newly proposed for linear dynamic response topology optimization. The proposed updating rules are the artificial material method and the element elimination method. The artificial material method updates the material property for dynamic analysis at the next cycle using the results of topology optimization. The element elimination method is proposed to remove the element which has low density when static topology optimization is finished. These proposed methods are applied to some examples. The results are discussed in comparison with conventional linear static response topology optimization.
Generally, structural optimization is carried out based on external static loads. All forces have dynamic characteristics in the real world. Mathematical optimization with dynamic loads is extremely difficult in a large-scale problem due to the behaviors in the time domain. In practical applications, it is customary to transform the dynamic loads into static loads by dynamic factors, design codes, and etc. But the optimization results with the unreasonably transformed loads cannot give us good solutions. Recently, a systematic transformation has been proposed as an engineering algorithm. Equivalent static loads are made to generate the same displacement field as the one from dynamic loads at each time step of dynamic analysis. Thus, many load cases are used as the multiple loading conditions which are not costly to include in modem structural optimization. In this research, the proposed algorithm is applied to the optimization of flexible multibody dynamic systems. The equivalent static load is derived from the equations of motion of a flexible multibody dynamic system. A few examples that have been solved before are solved to be compared with the results from the proposed algorithm.
Generally, structural optimization is carried out based on external static loads. All forces have dynamic characteristics in the real world. Mathematical optimization with dynamic loads is extremely difficult in a large-scale problem due to the behaviors in the time domain. The dynamic loads are often transformed into static loads by dynamic factors, design codes, and etc. Therefore, the optimization results can give inaccurate solutions. Recently, a systematic transformation has been proposed as an engineering algorithm. Equivalent static loads are made to generate the same displacement field as the one from dynamic loads at each time step of dynamic analysis. Thus, many load cases are used as the multiple leading conditions which are not costly to include in modern structural optimization. In this research, it is mathematically proved that the solution of the algorithm satisfies the Karush-Kuhn-Tucker necessary condition. At first, the solution of the new algorithm is mathematically obtained. Using the termination criteria, it is proved that the solution satisfies the Karush-Kuhn-Tucker necessary condition of the original dynamic response optimization problem. The application of the algorithm is discussed.
This paper provides the resuIts on the evaluation of dynamic characteristics of the optimized shells. Five fundamental technologies such as computer-aided geometric design, automatic mesh generation, shell finite element, design sensitivity analysis and shell optimization process, are used for shell optimization maximizing the fundamental natural frequency. A dome shell is adopted for the shell shape optimization and the dynamic characteristic of the optimized shell such as the variation of natural frequencies is then investigated. From the investigation, more constraint functions related to shell natural frequencies is necessarily required to effectively control dynamic characteristics of the optimized shells.
This paper discusses the multi-level optimization method in dynamic optimization problems, through stiffened plate of ship structures. In structural optimization, the computational cost increases rapidly as the number of design variables increases. And we need a great amount of calculation and time on problems of modified dynamic characteristics of large and complicated structures. In this paper, the multi-level optimization is proposed, which decreases computational time and cost. The dynamic optimum designs of stiffened plate that control the natural frequency and minimize weight subjected to constraints condition are derived. It is shown that the results are effective in the optimum modification for dynamic characteristics of the stiffened plate.
The suspension is a structure that supports reading, writing head in information storage device. In order to develop the information storage device of high track density, it is necessary to study about the suspension. To satisfy operation condition of information storage device, the suspension shape is very important since it correlates to dynamic characteristics. Therefore, it is necessary to analyze the dynamic characteristics by using finite element analysis and to optimize the suspension of information storage device using size optimization and topology optimization. The suspension has various modes according to different kinds of frequency bandwidth. Sway mode and second torsion mode are especially critical among them. In this paper, we investigated method to improve bandwidth of sway and second torsion mode of HDD and ODD suspension by using size optimization and topology optimization.
Biped humanoids maintain their stability through precise controls during locomotion or operation. Dynamic forces are applied to the humanoid structure during locomotion or operation. If the humanoid has weakness from a structural viewpoint, these forces cause severe deformation or vibration of the structure, which can make the humanoid unstable. In this research, a design scenario is proposed to design a robust humanoid structure under the dynamic loads. The pelvis part is selected for design practice. Multibody dynamics is adopted to calculate the dynamic loads and a structural optimization technique is employed to design the pelvis structures. Since it is extremely difficult directly consider the dynamic loads in the optimization process, equivalent static loads are evaluated from the dynamic loads and the design result are discussed.
All the loads in the real world are dynamic loads and it is well known that structural optimization under dynamic loads is very difficult. Thus the dynamic loads are often transformed to the static loads using dynamic factors. However, due to the difference of load characters, there can be considerable differences between the results from static and dynamic analyses. When the natural frequency of a structure is high, the dynamic analysis result is similar to that of static analysis due to the small inertia effect on the behavior of the structure. However, if the natural frequency is low, the inertia effect should not be ignored. Then, the behavior of the dynamic system is different from that of the static system. The difference of the two cases can be explained from the relationship between the homogeneous and the particular solutions of the differential equation that governs the behavior of the structure. Through various examples, the difference between the dynamic analysis and the static analysis are shown. Also the optimization results considering dynamic loads are compared with static loads.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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