In this study, flow and structural computational analysis were performed to investigate the structural safety of the lightweight butterfly valve disc designed by topology optimization. After flow analysis, as the opening angle increased, the flow coefficient increased non-linearly and showed a gentle slop. When the opening angle was 12 degree, the cavitation could be predicted. After FE analysis, all FE von-Misses stresses of the lightweight disc were smaller than the yield strength of the material, and all FE maximum deformations were also smaller than the conservative deformation of the previous study. Ultimately, it was confirmed that the structural safety of the lightweight valve disc based on computational analysis is effective.
Statements of problem: All ceramic fixed partial denture cores can be made by the slip casting method and the advanced alumina tape method. The fracture resistance of these core connector areas is relatively low. Purpose: The purpose of this study is to standardize the appropriate volumetric figure and location of the connectors in the alumina core fabricated in alumina tape to be used in fixed partial dentures by way of topology optimization. Material and method: A maxillary anterior three-unit bridge alumina core with teeth form and surrounding periodontal apparatus model was used to ultimately design the most structurally rigid form of the connector. Loadings from a $0^{\circ}$, $45^{\circ}$ and $60^{\circ}$ to the axis of each tooth were applied and analyzed with the 3-D finite element analysis method. Using the results from these experiments, the topology optimization was applied and the optimal reinforcement layout of connector was obtained and the detail shape in the fixed partial denture core was designed. Results: The modified prosthesis with the form of a bulk in the lower lingual surface of the connector in the event, reduced the stress concentration up to 20% in the 3-D FEA. Conclusion: The formation of a bulk in the lower lingual connector area of an alumina core for a fixed partial denture decreases the stress to a clinically favorable measure but does not harm the esthetic point of view. This result illustrates the possibility of clinical application of the modified form designed by the topology optimization method.
Structural robustness refers to the ability of a structure to avoid disproportionate consequences to the original cause. Currently attentions focus on the concepts of structural robustness, and discussions on methods of robustness based structural design are rare. Firstly, taking basis in robust $H_{\infty}$ control theory, structural robustness is assessed by $H_{\infty}$ norm of the system transfer function. Then using the SIMP material model, robustness based design of grid structures is formulated as a continuum topology optimization problem, where the relative density of each element and structural robustness are considered as the design variable and the optimization objective respectively. Generalized elitist genetic algorithm is used to solve the optimization problem. As examples, robustness configurations of plane stress model and the rectangular hyperbolic shell model were obtained by robustness based structural design. Finally, two models of single-layer grid structures were designed by conventional and robustness based method respectively. Different interference scenarios were simulated by static and impact experiments, and robustness of the models were analyzed and compared. The results show that the $H_{\infty}$ structural robustness index can indicate whether the structural response is proportional to the original cause. Robustness based structural design improves structural robustness effectively, and it can provide a conceptual design in the initial stage of structural design.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2005.04a
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pp.335-342
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2005
Using higher order Mindlin plates and piezoelectric materials, eigenvalue problems are considered. Since piezoelectric crystal resonators produce a proper amount of electric signal for a thickness-shear frequency, the objective is to decouple the thickness-shear mode from the others. Design variables are the bulk material densities corresponding to the mass of masking plates for electrodes. The design sensitivity expressions for the thickness-shear frequency and mode shape vector are derived using direct differentiation method(DDM). Using the developed design sensitivity analysis (DSA) method, we formulate a topology optimization problem whose objective function is to maximize the thickness-shear component of strain energy density at the thickness-shear mode. Constraints are the allowable volume and area of masking plate. Numerical examples show that the optimal design yields an improved mode shape and thickness-shear energy.
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.30
no.5
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pp.474-479
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2013
Mass reduction of the machine tool movable parts is a tool for achieving lower energy demands of the machine tool operation. The realization of lightweight design in machine tool can be achieved by structural lightweight design and material lightweight design. In this study, topology optimization strategy was applied to design optimized structures of movable parts of 5 axis machining center. The weight of ram which has most significant influence on the stiffness of whole machine tool was reduced without stiffness deterioration. The redesigned optimized ram has 24.2% less weight while maintaining the same displacement caused by cutting force.
The structural shape optimization is a useful tool for engineers to determine the shape of a structure. During the optimization process, relocations of nodes happen successively. However, excessive movement of nodes often results in the mesh distortion and eventually deteriorates the accuracy of the optimum solution. To overcome this problem, an efficient method for the shape optimization has been developed. The method starts from the design domain which is large enough to hold the possible shape of the structure. The design domain has pre-defined uniform fine meshes. At every cycle, the method judges whether all the elements are inside of the structure or not. Elements inside of the structure are assigned with real material properties, however elements outside of the structure are assigned with nearly zero values. The performance of the method is evaluated through various examples.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.34
no.3
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pp.159-165
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2021
This study introduces a topology optimization method for the simultaneous design of macro-scale structural configuration and unit structure variation to ensure effective heat conduction. Shape changes in the unit structure depending on its location within the macro-scale structure result in micro- as well as macro-scale design and enable better performance than using isotropic unit structures. They result in functionally graded composite structures combining both configurations. The representative volume element (RVE) method is applied to obtain various thermal conductivity properties of the multi-material based unit structure according to its shape change. Based on the RVE analysis results, the material properties of the unit structure having a certain shape can be derived using machine learning. Macro-scale topology optimization is performed using the traditional solid isotropic material with penalization method, while the unit structures composing the macro-structure can have various shapes to improve the heat conduction performance according to the simultaneous optimization process. Numerical examples of the thermal compliance minimization issue are provided to verify the effectiveness of the proposed method.
Journal of the Korea Institute of Military Science and Technology
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v.3
no.2
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pp.179-188
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2000
Multi-disciplinary optimization design concept can provide a solution to many engineering problems. In the field of structural analysis, much development of size or topology optimization has been achieved in the application of research. This paper demonstrates an optimum design of a multi-layer cylindrical tube which behaves thermoelastically. A multi-layer cylindrical tube that has several different material properties at each layer is optimized within allowable stress and temperature range when mechanical and thermal loads are applied simultaneously. When thermal loads are applied to a multi-layer tube, stress phenomena become complicated due to each layer's thermal expansion and the layer thicknesses. Factors like temperature; stress; and material thermal thicknesses of each tube layer are very difficult undertaking. To analyze these problems using an efficient and precise method, the optimization theories are adopted to perform thermoelastic finite element analysis.
Journal of Korean Association for Spatial Structures
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v.20
no.4
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pp.53-62
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2020
This study examines the optimum shape of a trolley, the driving device of the retractable membrane roof. The closed-type trolley was determined as the model of the study, and a trolley composed of cylindrical-shaped inner and outer holders was selected as the basic model. Based on this model, a cylindrical-based optimal trolley model was proposed. In the basic trolley model, steel was used for the outer holder, and steel, titanium, and aluminum were used for the inner holder. In each case, the most economical shape for the external load of the basic model was newly proposed through the topology optimization process, and the finite element analysis results of the proposed model were compared to define the durability and economics. Here, topology optimization analysis and finite element analysis used the commercial software ANSYS. As a result of optimization, the volume of the outer holder of the trolley was reduced by 58.2% and the volume of the inner holder was reduced by 25.0% compared to the basic model. In the case of stress, a stress increase of 43.2 to 79.2% occurred depending on the material of the inner holder, but it was found to be significantly lower than the yield strength, thereby ensuring safety.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.28
no.5
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pp.441-449
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2015
In this paper we perform a linearized buckling analysis using the Kirchhoff plate theory and the von Karman nonlinear strain-displacement relation. Design sensitivity analysis(DSA) expressions for plane elasticity and buckling problems are derived with respect to Young's modulus and thickness. Using the design sensitivity, we can formulate the topology optimization method for minimizing the compliance and maximizing eigenvalues. We develop a topology optimization method applicable to plate buckling problems using the prestress for buckling analysis. Since the prestress is needed to assemble the stress matrix for buckling problem using the von Karman nonlinear strain, we introduced out-of-plane motion. The design variables are parameterized into normalized bulk material densities. The objective functions are the minimum compliance and the maximum eigenvalues and the constraint is the allowable volume. Through several numerical examples, the developed DSA method is verified to yield very accurate sensitivity results compared with the finite difference ones and the topology optimization yields physically meaningful results.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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