본 논문에서는 압전 수정진동자의 설계민감도 해석 및 위상 최적설계 기법을 개발하였다. 압전 수정진동자는 가해지는 전하에 의해 두께방향 전단 변형하게 되거나, 혹은 그 반대방향으로 기계 변형에 의해 전기적 신호를 검출하게 된다. 엄밀한 두께방향 전단해석을 위해 두께방향으로 고차 보간을 하는 고차 민들린(Mindlin) 판 이론을 도입하였다. 압전 수정진동자에서 수정판은 부도체이기 때문에 전기적 신호를 검출하거나 전기적 신호에 의해 수정판을 기계적으로 진동시키기 위해 수정판의 상/하 표면에 얇은 전극경을 도포한다. 비록 전극경이 매우 얇기는 하지만 그 무게와 형상에 따라 진동자의 거동이 달라지기 때문에, 설계민감도 해석 및 위상 최적설계를 위한 설계변수는 전극경의 질량 밀도와 관계된다. 따라서 위상 최적설계 문제는 두께방향 전단 변형에너지를 최대화하는 최적의 전극경 분포를 구하도록 구성한다. 또한 보다 의미있는 설계안을 얻기 위해 전극경의 재료량과 면적에 제약조건을 부여한다. 두께방향 전단 주파수(고유치)와 상응하는 모드형상(고유벡터)에 대한 설계구배는 고유벡터 확장법을 이용한 해석적 설계민감도 해석법을 통해 매우 효율적이고 정확하게 계산될 수 있다. 수치예제를 통해 제안된 해석적 설계민감도가 유한차분 설계민감도와 비교하여 매우 효율적이고 정확하게 계산됨을 확인하였다. 또한 위상 최적설계를 통해 도출된 최적 전극경 설계가 모드형상과 두께방향 전단 변형에너지를 개선시킴을 확인하였다.
The offshore subsea platforms are connected to subsea pipelines to transport gas/oil from wells. The pipe is a multilayered structure of polymer and steel for compensating both flexibility and strength. The pipe also requires reinforcement structures to endure the extreme environmental conditions. A vertebrae structure of bend restrictors is one of the reinforcement structures installed to protect the subsea pipe from excessive bending deformations. In this study, structural behaviors of the subsea pipeline with bend restrictors are investigated by the multi-body contact analysis in Abaqus 6.14-2. Contact forces of each bend restrictor extracted from the multi-body contact analysis can be boundary conditions for topology design optimization in Altair Hyperworks 13.0 Hypermesh-Optistruct. Multiple design constraints are considered to obtain a manufacturable design with efficient material usage. Through the multi-body contact analysis with optimized bend restrictors, it is confirmed that the bending performance of the optimized design is enhanced.
The geometry in the weight reduction design is very required to be started from the conceptual design with low cost, high performance and quality. In this point, a topological shape fur optimization concerned with conceptual design of structure is important. The method used in this paper combines three optimization techniques, where the shape and physical dimensions of the structure and material distribution are hierachically optimized, with the maximum rigidity of structure and lightweight. As the applications, the technology of weight reduction design is applied on designs of aluminum control arm and inner panel of hood.
An engine cradle is a quite important structural assembly for supporting the engine, suspension and steering parts of vehicle and absorbing the vibrations during the drive and the shock in the car crash. Recently, the engine cradle having structural stiffness enough to support the surrounding parts and absorbing the shock of collision has been widely used. The hydroforming technology may cause many advantages to automotive applications in terms of better structural integrity of parts, reduction of production cost, weight reduction, material saving, reduction in the number of joining processes and improvement of reliability. We focus on increasing the durability and the dynamic performance of engine cradle. For realizing this objective, several optimization design techniques such as shape, size, and topology optimization are performed. This optimization scheme based on the sensitivity can provide distinguished performance improvement in using hydroforming.
The objective of this study was to investigate a simulation technology for the AM field based on ANSYS Inc.. The introduction of metal 3D printing AM process, and the examining of the present status of AM process simulation software, and the AM process simulation processor were done in the previous study (part 1). This present study (part 2) examined the use of the AM process simulation processor, presented in Part 1, through direct execution of Topology Optimization, Ansys Workbench, Additive Print and Additive Science. Topology Optimization can optimize additive geometry to reduce mass while maintaining strength for AM products. This can reduce the amount of material required for additive and significantly reduce additive build time. Ansys Workbench and Additive Print simulate the build process in the AM process and optimize various process variables (printing parameters and supporter composition), which will enable the AM to predict the problems that may occur during the build process, and can also be used to predict and correct deformations in geometry. Additive Science can simulate the material to find the material characteristic before the AM process simulation or build-up. This can be done by combining specimen preparation, measurement, and simulation for material measurements to find the exact material characteristics. This study will enable the understanding of the general process of AM simulation more easily. Furthermore, it will be of great help to a reader who wants to experience and appreciate AM simulation for the first time.
수직 다관절 로봇의 세 가지 주요 부품인 베이스프레임, 하부프레임, 상부프레임의 경량화를 위하여 위상최적화를 적용하였다. 위상최적화를 위한 설계 영역은 기존 모델을 포함시키는 단순 영역으로 설정하고 이를 삼차원 솔리드 요소로 이산화하였다. 설계 변수들은 SIMP 법을 사용하여 각각의 요소의 물성치를 파라미터화 시켰다. 로봇의 다물체 동역학 해석으로부터 얻어진 하중들을 로봇의 하중조건으로 부여하였으며 최적화의 목적 함수는 구조의 정적, 동적 강성의 조합으로 설정하고 제한조건은 질량제한조건을 부과하였다. 위상최적설계로 얻은 결과는 주조 제조에 용이한 설계로 후처리하였다. 최종 최적화 모델은 기존 모델과 비교하여 비슷하거나 큰 정적, 동적 강성을 가지면서 베이스프레임은 11.0%, 하부프레임은 12.0%, 상부프레임은 10.0% 경량화시킬 수 있었다.
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. To analyze these problems using an efficient and precise method, the optimization theories are adopted to perform thermoelastic finite element analysis.
The geometric configuration in the weight reduction designis very required to be started from the conceptual design with low cost, high performance and quality. In this point, a structural-topological shape concerned with conceptual design of structure is important. The method used in this paper combines three optimization techniques, where the shape and physical dimensions of the structure and material distribution are hierachically optimized, with the maximum rigidity of structure and lightweight. As the results, the technology of weight reduction design is considered in designs of aluminum control arm and inner panel of door.
Currently, polyurethane (PU) foam is used in most refrigerators as a thermal insulator, whereby the material contributes to structural stiffness by joining the refrigerator cases; however, refrigerator PU foam induces a low thermal efficiency and results in environmental contamination. To resolve these issues, we applied the vacuum insulated panel (VIP) instead of PU form in the design of a new refrigerator type, whereby the VIP significantly contributes to the rectification of the previously mentioned issues. The VIP structure, however, cannot effectively hold refrigerator cases, so the present study investigated a new frame-structure concept by evaluating the stiffness using the topology optimization of refrigerator cases. Lastly, a refrigerator prototype comprising an optimal frame structure was built and subject to a stiffness test, and a comparison of the test results with those of a conventional refrigerator show that the structural stiffness of the prototype is sufficiently effective.
본 논문에서는 애조인 설계민감도(DSA)를 사용하여 평형상태의 열전도문제에서 수치적으로 얻어진 위상 최적설계를 실험적으로 검증하였다. 애조인 변수법을 이용하면 해석에서 사용되었던 행렬시스템을 애조인 문제를 풀 때 그대로 활용가능하기 때문에 설계민감도를 얻는데 필요한 계산을 매우 효율적으로 수행할 수 있다. 위상 최적설계를 위해서 설계변수는 정규화된 재료밀도 함수로 정하였다. 목적함수는 구조물의 열 컴플라이언스이고 제한조건은 허용 가능한 재료량이다. 또한 열화상카메라를 활용하여 이러한 위상 최적설계로 얻어진 수치적 결과를 부피가 동일하도록 직관적으로 설계된 디자인과 비교하여 실험적으로 검증하였다. 위상 최적설계로 얻어진 결과를 실제로 제작하기 위해 간단한 수치기법을 통해 점 정보로 변환한 후 역설계 상용프로그램을 이용하여 CAD 모델링을 수행한다. 이를 바탕으로 위상 최적설계 결과를 CNC(Computerized Numerically Controlled machine tools) 선반으로 제작하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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