유한요소법은 편미분방정식(Partial Differential Equation)의 수치적 근사 해를 구하기 위한 가장 일반적이고 효율적인 방법으로 다양한 공학 분야에서 널리 사용되어지고 있다. 유한요소법의 해석은 연속적인 범위를 가지는 문제를 여러 개의 요소로 나누어 다항식의 형상함수를 만들게 되며 결과적으로 근사 해를 구하게 된다. 이때 해석의 정확성을 높이기 위하여 형상함수의 차수를 높이고 요소의 개수를 늘리게 되면, 이에 따른 수치 계산량의 급격한 증가로 인해 수치해석의 효율성은 떨어지게 된다. 이를 보완하기 위해 유한요소법에 영역분할기법을 적용하여 병렬해석을 수행하면 해의 정확성과 효율성을 동시에 높인다. 병렬해석을 수행하는데 있어서 클러스터의 구조적 특성은 해석의 효율성에 영향을 미치게 된다. 따라서 본 논문에서는 일반적인 모델에 대하여 병렬해석의 수행을 통하여 클러스터의 구조적 특성이 병렬해석의 효율성에 미치는 영향에 대해 확인한다.
폭발하중은 매우 짧은 시간 내에 순간적인 높은 압력으로 발생된다. 따라서 폭발하중을 받는 구조물은 매우 복잡한 순간 동역학적 손상 거동을 나타낸다. 이러한 외부 하중에 대한 실험적 연구는 큰 비용, 시설, 그리고 군사적 보안 문제가 요구되기 때문에, 고성능 컴퓨팅 기술을 이용한 수치적 기법을 통해 구조물의 동적 비선형 해석을 수행하였다. 수치해석의 정확성을 높이기 위해 폭풍파와 같은 대기전파의 경우 Euler 기법, 콘크리트 재료의 경우 Lagrange 기법을 적용한 복합적 수치해석 (multi-solver coupling) 기법이 적용되었다. 제안된 수치해석 기법은 explicit 유한요소해석 프로그램인 AUTODYN을 이용하여 수행되었다. 그리고 클러스터 (cluster) 내 병렬 알고리즘 (parallel algorithm)을 이용하여 수치해석의 효율성을 높였다. RC 구조물의 수치해석 결과, 기존 실험 결과와 비교하여 잘 일치되었다. 또한 영역분할 개수가 증가할수록 수행시간은 감소되었고 Speed-up과 효율성은 높아졌다.
본 연구에서는 비비례 감쇠시스템을 효율적으로 해석할 수 있도록 모드 가속도법(mode acceleration method)과 모드 절삭 보강법(modal truncation augmentation method)을 확장하고 그 사용성을 검증하였다,. 비례 감쇠시스템의 동응답해서에 널리 사용되는 모드 가속도법과 모드 절삭보강법은 누락된 고차모드의 영향을 보정하여 모드 중첩법의 결과를 개선하는 방법이다. 기존의 방법들로 비비례 감쇠시스템을 해석하는 경우 비비례 감쇠특성을 무시하지 않으며 정확하고 효율적으로 해석할 수 있도록 모드 가속도법과 모드 절삭보강법을 확장하였다. 비례 감쇠시스템에서는 모드 가속도법보다 모드 절삭보강법이 더 효율적인 반면에 비비례 감쇠시스템에서는 대부분의 경우에 있어서 확장된 두 방법의 효율성이 동일하다. 그러나 수치적 안정성은 확장된 모드 가속도법이 모드절삭 보강법보다 우수하다. 이와 같은 확장된 모드 가속도법과 모드 절삭보강법의 사용성 검?을 위해서 이론적 방법과 수치예제를 수행하였다.
본 논문에서는 유체-구조물 상호작용(Fluid-Structure interaction;FSI)에 관한 새로운 수치적 접근 방법의 제안과 타당성 검토가 목적이다. 기존의 유체 관내 유동에서는 유체-구조물 상호작용방법을 이용하여 해석하였으나 해석과정과 수치적 효율성에 문제점이 있다. 본 논문은 다공질 매체 거동을 이용하여 관내 유체 유동해석이 제안된다. 제안된 기법은 기존의 방법이 갖는 모델링의 어려움을 개선하고, 비교적 복잡한 과정이 수행되어 많은 계산 시간이 요구되어지는 수치적 효율성이 개선되었다. 또한 다공질 매체 거동에서 중요요소인 침투성과 유체-구조물 상호작용의 중요요소인 유체와 구조물경계의 마찰사이의 관계가 도출되었다.
컴퓨터 성능과 전산유체역학 분야는 지속적으로 발전하고 있으므로 이에 따라 유체의 유동장은 더욱 정확하고 상세히 묘사할 수 있게 될 것이며, 더불어 ALE유한요소법 등과 같은 유체-구조 상호작용해석 기법이 발전해 나갈 것이다. 따라서, 현재 수행되고 있는 풍동실험은 다양한 모형제작으로 인한 비용문제와 완성된 모형의 정밀도 문제, 각 모형에 대한 반복적인 실험과정 등 적절한 설계형상을 선택하는 과정에서 효율성이 낮은 경우가 많으므로 수치해석에 의한 내풍안정성 평가과정을 병행함으로써 실험의 효율성이 낮은 부분을 보완, 최소화할 수 있을 것이다. 특히 적은 비용 및 시간내에 개략적인 내풍안정성 파악이 요구되는 개념설계 및 초기설계단계에 근사적인 내풍안정성 검토 기술로서 결과적으로 활용될 수 있을 것이다. 또한 수치해석기법의 가장 큰 장애요인었던 유체 유동장의 모사정도가 향상됨에 따라 수치해석에 의한 장대구조물의 내풍안정성해석은 앞으로 상당한 발전이 있을 것으로 전망된다.
한국해안해양공학회 1998년도 정기학술강연회 발표논문 초록집 Annual Meeting of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers
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pp.24-30
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1998
고도의 산업발달은 인간환경과 밀접한 하구와 해안의 오염을 심화시켜 최근 사회적 문제로 대두되고 있으며, 이에 오염물질의 이동을 예측하고 제어하려는 노력이 꾸준이 진행되어 왔다. 이 같은 노력은 수치모형을 이용한 수질관리 연구에도 많은 진전을 가지고 왔으며, 오일러적 모형, 라그랑쥐적 모형, 오일러-라그랑쥐 적 모형이 대표적이다. 오일러-라그랑쥐적 모형은 이류에 대해 라그랑쥐적 방법, 확산에 대해 오일러적 방법으로 해석함으로서 각 방법들의 장점을 취하여 수치적 진동, 수치적 확산이 적고 효율성이 뛰어나 최근 많이 연구되고 있다. (중략)
본 논문에서는 국내항만투자의 효율성을 정확하게 측정하기 위해서 기존의 방사모형과 새롭게 개발된 비방사적인 방법(패널 가법모형, 패널 RAM모형, 패널 SBM 모형)으로, 2001 년부터 2007년까지 국내 20개 항만의 4개의 산출물(항만서비스만족도, 선박입출항척수, 항만재정수입, 컨테이너화물처리량)과 1개의 투입물(항만투자금액)을 이용하여 국내항만들의 효율성을 측정하고 그 결과를 비교분석하였다. 실증분석의 주요한 결과는 다음과 같다. 첫째, 효율성 수치의 순위에 의한 스피어만의 서열상관관계계수의 결과는 (1) 방사모형과 패널가 법모형의 효율성 수치에 의한 서열상관이 약 76%수준 일치 (2) 효율성 수치에 의한 서열상관관계는 약71.6%수준에서 일치하였다. 둘째, 방사-비방사모형의 효율성수치들은 (1) 방사모형과 패널SBM모형(비교적 유사) (2) 패널RAM모형의 효율성 수치가 더 높았음, (3) 패널SBM모형과는 효율성 수치가 매우 유사 하였음. 셋째, 방사모형과 비방사모형의 투입 및 산출물 슬랙의 크기를 비교해 보면 방사모형의 슬랙이 더 적었다. 넷째, 가법모형을 제외한 나머지 모형들에 대한 측정결과를 보면, (1) 효율성수치나 효율적인 항만숫자 측면에서 보면 패널RAM모형, 패널SBM모형, 방사모형의 순서였다. (2) 최저효율성 수치를 비교해 본 결과도 첫 번째와 동일한 순서를 나타내었다. 본 연구의 정책적인 함의는 다음과 같다. 첫째, 국내항만들은 방사 비방사모형을 이용하여 해당항만의 효율성을 더욱 엄격하게 평가하여 그에 따른 항만경영전략을 도입하여야만 한다. 둘째, 국내항만들은 방사 비방사모형에서 제시할 수 있는 투입 및 산출요소의 슬랙의 크기를 파악하고, 해당항만에 적합한 슬랙을 제거시키는 항만경영전략을 도입하여야만 한다. 셋째, 본 논문에서 제시했던 비방사모형 중에서 해당항만에 적합한 측정방법을 선택하여 해당항만경영에 도입하는 방법을 도입해야만 한다. 본 논문의 한계점은 국내에서는 비방사적인 측정방법에 대한 연구가 극히 부진하여 방사적인 방법과 비방사적인 방법과의 모형별로 심도있는 분석이 시도되지 못했다고 하는 점이다. 이 부분에 대한 연구는 차후에 진행하고자 한다.
수학적 모델을 컴퓨터 상에 실현시키는데 있어 보다 효율적인 알고리즘을 구현하고 개발하는 것이 수치해석 연구의 궁극적인 목표이다. 일반적으로 수치해석을 사용할 때 컴퓨터 상에서 구한 계산 결과, 즉 근사 값과 수학적으로 구한 값인 참값은 정확하게 같지 않다. 따라서 근사 값이 얼마나 참값에 가까운가에 따라 알고리즘의 효율성을 평가하는 오차평가는 수치해석의 가장 중요한 과제라 할 수 있다. 대부분의 경우 오차평가에 있어 오차의 한계를 이용하지만 주어진 문제의 참값을 모르기 때문에 정확한 오차평가를 할 수 없다. 본 논문에서는 수치등각사상을 구하기 위한 해법중 하나인 Wegmann해법에 있어 몇 가지 수학적 이론에 근거하여 참값을 모르더라도 오차평가를 할 수 있는 방법을 제안하고 수치실험을 통해 그 유효성을 입증한다.
본 연구에서는 선형계획법 프로그램의 수치오차보정과 행렬희소도 유지를 통하여 수행 속도를 향상시키는 방안에 대해 다룬다. 수치오차를 줄이기 위 해 규모화를 도입하였으며, 계산 과정에서의 상하삼각행렬의 수치오차를 근 사적으로 측정하는 방법을 고려하였다. 기저행렬의 상하분해에 널리 사용되 는 Markowitz 순서화의 효율적인 구현에 대해 연구하였으며, Reid의 기저수 정방법의 효율성에 대해 실험적으로 검토하였다. 또, 행렬의 희소도에 의한 재역산 기준을 수립하여 수행 속도를 개선하였다.
본 논문에서는 응답자가 민감한 속성을 가지고 있지 않으면 직접 "예"라고 응답하고, 민감한 속성을 가지고 있으면 Greenberg et al.(1969)의 무관질문모형의 확률장치를 이용하여 선택된 질문에 응답을 하는 새로운 무관확률화응답모형을 제안하였다. 그리고, 제안한 모형이 Mangat(1994)의 관련질문모형보다 효율적인 되는 조건을 제시하였고, 수치적으로 효율성을 비교하였다. 또한, Leysieffer와 Warner(1976)의 위험함수와 Flinger et al.(1977)의 사생활 보호 측도를 이용하여 제안한 모형이 Mangat의 관련질문모형에 비하여 개인의 사생활을 보호해 주는 측면에서 더 효율적임을 보였다.효율적임을 보였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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