A general formulation for shape design sensitivity analysis over three dimensional beam structure is developed based on a variational formulation of the beam in linear elasticity. Sensitivity formula is derived based on variational equations in cartesian coordinates using the material derivative concept and adjoint variable method for the displacement and Von-Mises stress functionals. Shape variation is considered for the beam shape in general 3-dimensional direction as well as for the orientation angle of the beam cross section. In the sensitivity expression, the end points evaluation at each beam segment is added to the integral formula, which are summed over the entire structure. The sensitivity formula can be evaluated with generality and ease even by employing piecewise linear design velocity field despite the bending model is fourth order differential equation. For the numerical implementation, commercial software ANSYS is used as analysis tool for the primal and adjoint analysis. Once the design variable set is defined using ANSYS language, shape and orientation variation vector at each node is generated by making finite difference to the shape with respect to each design parameter, and is used for the computation of sensitivity formula. Several numerical examples are taken to show the advantage of the method, in which the accuracy of the sensitivity is evaluated. The results are found excellent even by employing a simple linear function for the design velocity evaluation. Shape optimization is carried out for the geometric design of an archgrid and tilted bridge, which is to minimize maximum stress over the structure while maintaining constant weight. In conclusion, the proposed formulation is a useful and easy tool in finding optimum shape in a variety of the spatial frame structures.
A new method for electric resistivity tomography(ERT) is developed for geophysical inverse problems by adapting the sensitivity analysis. The outputs of the potential electrodes are computed using two dimensional finite element method in the wave number space by Fourier transforming the governing equations. The resistance distribution in the region of interests, which makes the computed potential distribution coincide with the measured potential, is found by minimizing the objective function using an optimization method. In this process the sensitivity analysis is introduced in order to compute the derivatives of the objective function. And an adjoint variable method is used to save the computational efforts for sensitivity coefficients.
Kim Hyoung-Jin;Obayashi Shigeru;Nakahashi Kazuhiro
한국전산유체공학회:학술대회논문집
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한국전산유체공학회 2000년도 추계 학술대회논문집
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pp.32-38
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2000
Wing flap deflection angles of a supersonic transport are optimized to improve transonic cruise performance. For this end, a numerical optimization method is adopted using a three-dimensional unstructured Euler code and a discrete adjoint code. Deflection angles of ten flaps; five for leading edge and five fur railing edge, are employed as design variables. The elliptic equation method is adopted for the interior grid modification during the design process. Interior grid sensitivities are neglected for efficiency. Also tested is the validity of the approximate gradient evaluation method for the present design problem and found that it is applicable for loading edge flap design in cases of no shock waves on the wing surface. The BFGS method is used to minimize the drag with constraints on the lift and upper surface Mach numbers. Two design examples are conducted; one is leading edge flap design, and the other is simultaneous design of leading edge and trailing edge flaps. The latter gave a smaller drag than the former by about two counts.
KIEE International Transaction on Electrical Machinery and Energy Conversion Systems
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제3B권1호
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pp.23-31
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2003
A novel 3D shape optimization algorithm is presented for electromagnetic devices carry-ing eddy current. The algorithm integrates the 3D finite element performance analysis and the steepest descent method with design sensitivity and mesh relocation method. For the design sensitivity formula, the adjoint variable vector is defined in complex form based on the 3D finite element method for eddy current problems. A new 3D mesh relocation method is also proposed using the deformation theory of the elastic body under stress to renew the mesh as the shape changes. The design sensitivity f3r the sur-face nodal points is also systematically converted into that for the design variables for the parameterized optimization application. The proposed algorithm is applied to the optimum design of the tank shield model of the transformer and the effectiveness is proved.
A direct differentiationmethod is presented for the shape design sensitivity analysis of axisymmeetric elastic solids. Based on the exisymmetric boundary integralequaiton formulation, a new boundary ntegral equatio for sensitivity analysis is derived by taking meterial derivative to the same integral identity that was used in the adjoint variable melthod. Numerical implementation is performed to show the applicaiton of the theoretical formulation. For a simple example with analytic solution, the sensitivities by present method are compared with analytic sensitivities. As an application to the shape optimization, an optimal shape of a gas turbine disc toinimize the weight under stress constraints is found by incorporating the sensitivity analysis algorithm in an optimizatio program.
Design sensitivity analysis method for the vibration of vehicle structure is developed using adjoint variable method. A variational approach with complex response method is used to derive sensitivity expression. To evaluate sensitivity, FEM analysis of ship deck and vehicle structure are performed using MSC/NASTRAN on the super computer CRAY2S, and sensitivity computation is carried on PC. The accuracy of sensitivity is verified by the results of finite difference method. When compared to structural analysis time on CRAY2S, sensitivity computation is remarkably economical. The sensitivity of vehicle frame can be used to reduce the vibration responses such as displacement and acceleration of vehicle.
본 연구에서는 소성가공 공정의 최적설계를 위한 새로운 접근 방법이 소개 된다.이방법은 소성가공 공정의 유한요소해석 기술과 기계시스템의 최적설계 기술 에 바탕을 두고 있다. 벌칙 강소성유한요소법, 정상 상태의 소성가공 공정(steady -state metal forming process)을 위한 최적설계 문제의 수식화, 설계민감도의 해석 방법, 설계민감도의 정확성에 관한 고찰, 구배투영법(gradient projection emthod)등 이 본 논문에서 상세하게 소개된다.
The variational nodal method for solving the neutron transport equation has evolved over 40 years. Based on a functional form of the Boltzmann neutron transport equation, the method now comprises a complete set of variants that can be employed for different problems. This paper presents an extensive review of the development of the variational nodal method. The emphasis is on summarizing the whole theoretical system rather than validating the methodologies. The paper covers the variational nodal formulation of the Boltzmann neutron transport equation, the Ritz procedure for various application purposes, the derivation of boundary conditions, the extension for adjoint and perturbation calculations, and treatments for anisotropic scattering sources. Acceleration approaches for constructing response matrices and solving the resulting system of algebraic equations are also presented.
A stochastic Hamilton variational principle(SHVP) is formulated for dynamic problems of linear continuum. The SHVP allows incorporation of probabilistic distributions into the finite element analysis. The formulation is simplified by transformation of correlated random variables to a set of uncorrelated random variables through a standard eigenproblem. A procedure based on the Fourier analysis and synthesis is presented for eliminating secularities from the perturbation approach. In addition to, a method to analyse stochastic design sensitivity for structural dynamics is present. A combination of the adjoint variable approach and the second order perturbation method is used in the finite element codes. An alternative form of the constraint functional that holds for all times is introduced to consider the time response of dynamic sensitivity. The algorithms developed can readily be adapted to existing deterministic finite element codes. The numerical results for stochastic analysis by proceeding approach of cantilever, 2D-frame and 3D-frame illustrates in this paper.
A method for shape design sensitivity analysis for axisymmetric shells of general shapes is developed. The basic approach is to divide the structures into many segments. For each of the segments, the formula for a shallow arch or shell can be applied and the results assembled. To interconnect those segments, the existing sensitivity formula, obtained for a variation only in the direction perpendicular to the plane on which the structure is mapped, has been extended to include a variation normal to the middle surface. The method follows the adjoint variable approach based on the material derivative concept as established in the literature. Numerical examples are taken to illustrate the method and the applicability to practical design problems.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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