역설계란 제품에서부터 역으로 그것의 수학적인 형상을 얻는 기법이다. 생산현장과 설계분야에서 역설계의 응용사례는 많다. 예를 들면 자동차 외형설계자는 자유곡면(free form)을 만들고, 이것 에서 역으로 스템핑 다이(stamping die)를 가공한다. 물론 외형 설계자는 자유곡면을 생성하기 위해 스틸이나 커크사이트(kirtsite)보다는 원하는 형상을 만들기 쉬운 진흙을 사용한다. 생산부 서에서는 가공물의 설계도가 분실되거나 훼손되어 완성된 제품에서 도면이 복사되어야 할 경우가 생기게 된다. 역설계는 복제가 요구되는 어떤 형상도 적용이 가능하다. 응용대상은 특히 완구, 인조팔, 스템핑다이, 폼 블록(from block), 욕조기, 가구, 일상용품 등이며 적용대상은 광범위하다. 역설계는 설계자가 습득해야 할 필요기술이고, 현재의 CAD/CAM 적용영역을 새로운 세계로 확대시킬 것이다.
본 연구의 목적은 효과적인 건축 MEP(Mechanic, Electric and Plumbing) 파이프 객체 역설계 자동화를 위한 시스템 아키텍처를 제안하고, 프로토타입 개발을 통해 역설계 기술에서 향후 개선할 점을 도출하는 것이다. 이를 위해 역설계 작업에 필요한 요구사항, 유스케이스, 기능 및 클래스를 도출하였다. 도출된 기능을 바탕으로 건축 MEP파이프 객체 역설계를 위한 아키텍처를 설계하였으며, 시스템의 정적 구조, 알고리즘을 설계하였다. 제안된 시스템 아키텍처를 기반으로 한 프로토타입 개발 연구를 통해 향후 개선할 점을 도출하였으며, 일반적인 파이프 유형은 RANSAC(RANdom SAmple Consensus)등 일반적인 역설계 방법으로 처리가 가능하지만, 이형 파이프와 대용량 데이터 처리를 위한 공간 인덱싱 기반 LOD(Level Of Detail)기법이 별도로 고려될 필요가 있다는 것을 확인하였다.
본 연구에서는 MGM(Modified Grrabedian-McFadden)방법에 기초한 효율적인 역설계 방법을 개발하였다. 표면압력 분포를 얻기 위해 2-D Navier-Stokes 방정식을 풀었고, 역설계를 수행하기 위해 MGM방법을 사용하였다. MGM 방법은 설계 목적 압력분포와 Navier-Stokes 방정식에서 계산된 압력분포의 차인 잔여량을 보정하는 잔여-보정 기법이다. 코드 개발을 위하여 몇몇 익형과 프로펠러 형상설계에 적용하였다. 이들 모두 목표하는 형상에 잘 수렴해 갔다.
A new and efficient inverse design method based on the numerical optimization technique has been developed. The 2-D incompressible Navier-Stokes equations are solved for obtaining the objective functions and coupled with the optimization procedure to perform the inverse design. The steepest descent and the conjugate gradient method have been applied to find the searching direction. The golden section method was applied to compute the design variable intervals. It has been found that the airfoil and the pump impellers are well converged to their targeting shapes.
An efficient inverse design technique based on the MGM (Modified Garabedian-McFadden) method has been developed. The 2-D Navier-Stokes equations are solved for obtaining the surface pressure distributions and coupled with the MGM method to perform the inverse design. The solver is parallelized by using the domain decomposition method and the standard MPI library for communications between the processors. The MGM method is a residual-correction technique, in which the residuals are the difference between the desired and the computed pressure distribution. The developed code was applied to several airfoil shapes and the axial blade. It has been found that they are well converged to their target pressure distribution.
리모트 용접용 2D 스캐너 F-theta 렌즈의 역설계가 광선 추적기법을 사용하여서 수행이 되었다. 렌즈의 곡면 및 렌즈간 거리를 변수로 설정하고 초점거리를 Marginal Ray Height 로 설정하여, 상용 광선추적기법 프로그램을 사용하여 무한반복 최적화를 수행 하였다. 최종목표 값을 설정 후 Merit Function에 정의된 기준에 따라, 최종 초점거리와 초점의 크기를 최종 목표 값 가중치로 설정하였다. 최적화된 렌즈는 총 4매이며, 벤치마킹된 상용렌즈의 초점거리(185mm) 보다는 다소 근거리인 137mm로 최적화 되었지만, 초점의 크기는 레이저 입사각에 따라 RMS 기준 $1.3{\mu}m$, $6.2{\mu}m$ 그리고 $16.1{\mu}m$로 계산 되었으며, 이는 상용렌즈에 근접하는 성능을 구현한다. 입사각별 왜곡도를 중첩 하여서 비교 분석한 결과, 입사각 $0^{\circ}$와 $12.5^{\circ}$에서는 기존 렌즈와 거의 유사한 형태로 나타나는 것을 볼 수가 있어, 본 연구에서 제안된 역설계기법이 사용자 환경에 따라서 효과적으로 적용되어 최적설계가 이루어질 수 있을 것으로 기대가 된다.
효율적인 3차원 모델링은 건설, 기계 그리고 디자인과 같은 폭넓은 설계분야에서 필수적으로 되고 있다. 특히, 역설계를 가능케 하는 툴로써 발전하고 있다. 3차원 모델링은 신속성, 정확성 그리고 명확성이 요구된다. 모델링을 위한 데이터 획득은 접촉식 좌표측정기, 레이져스캐너, 패턴스캐너 그리고 수치사진측량방법을 이용한다. 본 연구에서는 모델링 기법을 분석하고 패턴스캐너를 이용한 3차원 모델링기법을 소개하고자 한다. 또한, 본 연구는 OPTO-Top 패턴스캐너를 이용하여 3차원 모델링을 시도하고 신속성과 효율성을 수치사진측량기법과 비교분석하였다. 아울러 3차원으로 사용자가 웹환경에서 시뮬레이션 할 수 있는 환경구축을 시도하였다.
2차원 익렬 익형의 표면에 목적하는 압력계수 분포를 설정하고 그 압력계수의 분포에 해당하는 형상을 설계하기 위해 임의의 초기형상으로부터 목적 형상에 근접해가도록 최적화 기법을 도입하여 역설계를 수행하였다. 목적함수인 표면압력계수를 구하기 위해 비직교 일반좌표계상의 2차원 비압축성 나비어-스톡스 방정식을 사용하였으며 목적함수의 감소를 위해서는 최속강하법과 공액 경사도 방법을 사용하였다. 해의 탐색방향을 위해 1차 정확도의 유한 차분화를 행하였고, 해의 탐색거리를 위해 황금분할법을 사용하였다. 본 연구의 결과, 목적한 형상으로의 수렴성이 뛰어남을 확인할 수 있었다.
Recent extreme weather events and natural disasters are causing rapid aging of the ancient structures with cultural value. It has threatened the safety and management. The construction design documents are not kept for such long time. Even if they are, they seem to be mismatched with the design structures due to corrosive effects. For these reasons, Korea has been facing difficulties in maintenance, reengineering and safety evaluation. In this study, three dimensional point cloud surface of bobsleigh is obtained using 3D LiDAR scanner. The obtained structure is compared with the original design and found to be highly accurate. The study shows the application of reverse engineering technique and its potential use for other civil structures.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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