Three-dimensional flow analysis and numerical optimization methods are presented for the design of an axial-flow fan. Steady, incompressible, three-dimensional Reynolds-averaged Navier-Stokes equations are used as governing equations, and standard k- ${\varepsilon}$ turbulence model is chosen as a turbulence model. Governing equations are discretized using finite volume method. Steepest descent method, conjugate gradient method and BFGS method are compared to determine the searching directions. Golden section method and quadratic fit-sectioning method are tested for one dimensional search. Objective function is defined as a ratio of generation rate of the turbulent kinetic energy to pressure head. Two variables concerning sweep angle distribution are selected as the design variables. Performance of the final fan designed by the optimization was tested experimentally.
The present paper concerns the mathematical study and the numerical treatment of the problem of semirigid connections in bolted steel column base plates by taking into account the possibility of appearance of separation phenomena on the contact surface under certain loading conditions. In order to obtain a convenient discrete form to simulate the structural behaviour of a steel column base plate, the continuous contact problem is first formulated as a variational inequality problem or, equivalently, as a quadratic programming problem. By applying an appropriate finite element scheme, the discrete problem is formulated as a quadratic optimization problem which expresses, from the standpoint of Mechanics, the principle of minimum potential energy of the semirigid connection at the state of equilibrium. For the numerical treatment of this problem, two effective and easy-to-use solution strategies based on quadratic optimization algorithms are proposed. This technique is illustrated by means of a numerical application.
A design procedure for a ship with minimum resistance had been developed using a numerical optimization method called SQP (Sequential Quadratic Programming) combined with computational fluid dynamics (CFD) technique. The frictional resistance coefficient was estimated by the ITTC 1957 model-ship correlation line formula and the wave-making resistance coefficient was evaluated by the potential-flow panel method with the nonlinear free surface boundary conditions. The geometry of the hull surface was represented and modified by B-spline surface modeling technique during the optimization process. The Series 60 ($C_B$=0.60) hull was selected as a parent hull to obtain an optimized hull that produces minimum resistance. The models of the parent and optimized hull forms were tested at calm water condition in order to demonstrate the validity of the proposed methodolgy.
This paper is concerned with shape optimization problems by the boundary element method (BEM) emphasizing the use of a reduced basis reanalysis technique proposed recently by the author. Problems of this class are conventionally carried out iteratively through an optimizer; a sequential quadratic programming-based optimizer is used in this study. The iterative process produces a succession of intermediate designs. Repeated analyses for the systems associated with these intermediate designs using an exact approach such as the LU decomposition method are time consuming if the order of the systems is large. The newly developed reanalysis technique devised for boundary element systems is utilized to enhance the computational efficiency in the repeated system solvings. Presented numerical examples on optimal shape design problems in electric potential distribution and elasticity show that the new reanalysis technique is capable of speeding up the design process without sacrificing the accuracy of the optimal solutions.
In this study, three-dimensional viscous flow analysis and optimization are presented for the design of a mixed-flow fan. Steady, imcompressible, three-dimensional Reynolds averaged Navier-Stokes equations are used as governing equations, and standard $k-{\varepsilon}$ turbulence model is chosen as a turbulence model. Governimg equations are discretized using finite volume method. Upwind difference scheme is used for the discretization of the convective term and SIMPLEC algorithm is used as a velocity-pressure correction procedure. The computational results are compared with the results obtained by TASCflow. For the numerical optimization of the design, objective function is defined as a ratio of generation of the turbulent energy to pressure head. Sweep angles are used as design variables.
Component Mode Synthesis (CMS) is a dynamic substructuring technique to get an approximate eigensolutions of large degree-of-freedom structures divisible into several components. But, In practice. most of large structures are modeled by different teams of engineers. and their respective finite element models often require different mesh resolutions. As a result, the finite element substructure models can be non-conforming and/or incompatible. In this work, A hybrid version of component mode synthesis using a localized lagrange multiplier to treat the non-conforming mesh problem was derived. Evolution Strategies (ESs) is a stochastic numerical optimization technique and has shown a robust performance for solving deterministic problems. An ESs conducts its search by processing a population of solutions for an optimization problem based on principles from natural evolution. An optimization example for raising the first natural frequency of a plate structure using beam stiffeners was presented using hybrid component mode synthesis and robust evolution strategies (RES) optimization technique. In the example. the design variables are the positions and lengths of beam stiffeners.
In this paper, an improved version of particle swarm optimization based optimum design algorithm (IPSO) is presented for the steel grillage systems. The optimum design problem is formulated considering the provisions of American Institute of Steel Construction concerning Load and Resistance Factor Design. The optimum design algorithm selects the appropriate W-sections for the beams of the grillage system such that the design constraints are satisfied and the grillage weight is the minimum. When an improved version of the technique is extended to be implemented, the related results and convergence performance prove to be better than the simple particle swarm optimization algorithm and some other metaheuristic optimization techniques. The efficiency of different inertia weight parameters of the proposed algorithm is also numerically investigated considering a number of numerical grillage system examples.
Numerical design optimization of a fan-shaped hole for film-cooling has been carried out to improve film-cooling effectiveness by combining a three-dimensional Reynolds-averaged Navier-Stokes analysis with the radial basis neural network method, a well known surrogate modeling technique for optimization. The injection angle of hole, lateral expansion angle of hole and ratio of length-to-diameter of the hole are chosen as design variables and spatially averaged film-cooling effectiveness is considered as an objective function which is to be maximized. Twenty training points are obtained by Latin Hypercube sampling for three design variables. Sequential quadratic programming is used to search for the optimal point from the constructed surrogate. The film-cooling effectiveness has been successfully improved by the optimization with increased value of all design variables as compared to the reference geometry.
An optimum design method for hybrid control systems is proposed in this study. By considering both active and passive control systems as a combined or a hybrid system, the optimization of the hybrid system can be achieved simultaneously. In the proposed approach, we consider design parameters of active control devices and the elements of the feedback gain matrix as design variables for the active control system. Required quantity of the added dampers are also treated as design variables for the passive control system. In the proposed method, the cost of both active and passive control devices, the required control efforts and dynamic responses of a target structure are selected as objective functions to be minimized. To effectively address the multi-objective optimization problem, we adopt a preference-based optimization model and apply a genetic algorithm as a numerical searching technique. As an example to verify the validity of the proposed optimization technique, a wind-excited 20-storey building with hybrid control systems is used and the results are presented.
The effect of rebirthing technique on the genetic algorithm (GA)-based size optimization is investigated. The GA mimics the principles of nature and it can gradually improve structural design through biological operations such as fitness, selection, crossover and mutation. However, premature optimum has been often detected in the generic GA with continuous design variable. Since then, the so-called rebirthing technique has been proposed to avoid this problem. However, the performance of the rebirthing technique has not been reported. Therefore, the size optimizations of spatial structures are tackled to investigate the performance of the rebirthing technique on the generic GA. From numerical results, it is well proved that the rebirthing technique is very effective to produce the optimum values regardless of the values of parameters used in the GA operations.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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