An optimal shape design approach is presented for a subsonic S-shaped intake using aerodynamic sensitivity analysis. Two-equation turbulence model is employed to capture strong counter vortices in the S-shaped duct more precisely. Sensitivity analysis is performed for the three-dimensional Navier-Stokes equations coupled with two-equation turbulence models using a discrete adjoint method For code validation, the result of the flow solver is compared with experiment data and other computational results of bench marking test. To study the influence oj turbulence models and grid refinement on the duct flow analysis, the results from several turbulence models are compared with one another and the minimum number of grid points, which can yield an accurate solution is investigated The adjoint variable code is validated by comparing the complex step derivative results. To realize a sufficient and flexible design space, NURBS equations are introduced as a geometric representation and a new grid modification technique, Least Square NURBS Grid Approximation is applied With the verified flow solver, the sensitivity analysis code and the geometric modification technique, the optimization of S-shaped intake is carried out and the enhancement of overall intake performance is achieved The designed S-shaped duct is tested in several off-design conditions to confirm the robustness of the current design approach. As a result, the capability and the efficiency of the present design tools are successfully demonstrated in three-dimensional highly turbulent internal flow design and off-design conditions.
The spacer grids in nuclear fuel assembly locate and align the fuel rods with respect to each other. They provide axial and lateral restraint against an excessive rod motion mainly caused by coolant flow. It is understood that each rod Is supported by multiple spacer grid. In such a case, it is important to determine spacer grid span so as to avoid resonance between the natural frequency of the fuel rods and excitation frequency. Actually dynamic characteristics of the fuel rods can be improved by assigning adequate spacer grid locations. When a dynamic performance of the structure is to be improved, design sensitivity analysis plays an important role as like many structural redesign problems. In this work, a shape design concept, different from conventional design, was applied to the problem. According to the theory shape can be a design parameter and optimal shape design can be found. This study concentrates on eigenvalue design sensitivity of the fuel rod supported by multiple spacer grids to determine optimal spacer grids positions.
A coupled variational equation for fluid-structure interaction (FSI) problems is derived from a steady state Navier-Stokes equation for incompressible Newtonian fluid and an equilibrium equation for geometrically nonlinear structures. For a fully coupled FSI formulation, between fluid and structures, a traction continuity condition is considered at interfaces where a no-slip condition is imposed. Under total Lagrange formulation in the structural domain, finite rotations are well described by using the second Piola-Kirchhoff stress and Green-Lagrange strain tensors. An adjoint shape design sensitivity analysis (DSA) method based on material derivative approach is applied to the FSI problem to develop a shape design optimization method. Demonstrating some numerical examples, the accuracy and efficiency of the developed DSA method is verified in comparison with finite difference sensitivity. Also, for the FSI problems, a shape design optimization is performed to obtain a maximal stiffness structure satisfying an allowable volume constraint.
본 논문은 컴퓨터 해석프로그램인 SimulationX를 이용하여 굴삭기 주행모터의 내부에서 발생하는 서지압력의 저감 방법에 대하여 분석하는 연구이다. 설계민감도 해석을 통하여 설계상의 문제점을 파악하고 해결책에 접근하는 방법을 다룬다. 진행순서는 다음과 같다. 우선 현재 설계 된 주행모터에 장착된 밸브들의 동적거동을 분석하여 설계의 문제점을 찾아낸다. 그 후 많은 설계변수들 중 동적성능향상에 민감하다고 판단되는 변수를 도출하고 설계치수를 조정하여 동적성능 안정화의 경향을 살펴본다. 마지막으로 민감한 변수가 다수 일 경우 변수조합을 통해 효과적인 튜닝방법을 제안한다.
This paper presents a 3D shape optimization algorithm for electromagnetic devices using the design sensitivity analysis with finite element method. The structural deformation analysis based on the deformation theory of the elastic body under stress is used for mesh renewing. The design sensitivity and adjoint variable formulae are derived for the 3D nonlinear finite element method with edge element. The proposed algorithm is applied to the shape optimization of 3D electromagnet to get a uniform flux density at the air gap.
A method for performing kinematic design sensitivity analysis of vehicle suspension systems is presented. For modeling of vehicle suspensions, the multibody dynamic formulation is adopted, where suspensions are assumed as combination of rigid bodies and ideal frictionless joints. In a relative joint coordinate setting, kinematic constraint equations are obtained by imposing cut-joints that transform closed-loop shape suspension systems into open-loop systems. By directly differentiating the constraint equations with respect to kinematic design variables, such as length of bodies, notion axis, etc., sensitivity equations are derived. By solving the sensitivity equations, sensitivity of static design factors that can be used for design improvement, can be obtained. The validity and usefulness of the method are demonstrated through an example where kinematic sensitivity analysis of a MacPherson strut suspension of performed.
In this paper, we develop a shape design optimization method for thermo-elastoplasticity problems that is applicable to the welding or thermal deformation problems of ship structures. Shell elements and a programming language APDL in a commercial finite element analysis code, ANSYS, are employed in the shape optimization. The point of developed method is to determine the design parameters such that the deformed shape after welding fits very well to a desired design. The geometric parameters of surfaces are selected as the design parameters. The modified method of feasible direction (MMFD) and finite difference sensitivity are used for the optimization algorithm. Two numerical examples demonstrate that the developed shape design method is applicable to existing hull structures and effective for the structural design of ships.
In this paper, in order to reduce the cogging torque in a permanent motor, a method to optimize the shape of permanent magnet and iron pole is presented. Because the cogging torque comes from the irregular system energy variation according to the rotor position, system energy variation is taken as object function and the object function is minimized to optimize the shape. The positions of permanent magnet surface and iron pole surface are chosen as design parameters and sensitivity of object function with respect to design parameter is calculated. The shape is changed according to sensitivity. Sensitivity can be generated by methods that exploit the FEM formulation. A numerical example shows that about 90% of the original cogging torque is reduced.
KIEE International Transaction on Electrical Machinery and Energy Conversion Systems
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제5B권2호
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pp.168-172
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2005
A novel cogging torque reduction algorithm is presented for 2-pole permanent magnet DC motor. While the shape of the permanent magnet is changed in the conventional method, the pole shape of the magnetizing yoke is optimized in the presented algorithm. In order to parameterize the shape of the yoke, and the distribution of the residual magnetization of the permanent magnet, the Bezier spline is used. The shape of the magnetizing yoke is optimized using the design sensitivity analysis incorporated with the finite element method and Bezier spline.
Using higher order Mindlin plates and piezoelectric materials, eigenvalue problems are considered. Since piezoelectric crystal resonators produce a proper amount of electric signal for a thickness-shear frequency, the objective is to decouple the thickness-shear mode from the others. Design variables are the bulk material densities corresponding to the mass of masking plates for electrodes. The design sensitivity expressions for the thickness-shear frequency and mode shape vector are derived using direct differentiation method(DDM). Using the developed design sensitivity analysis (DSA) method, we formulate a topology optimization problem whose objective function is to maximize the thickness-shear component of strain energy density at the thickness-shear mode. Constraints are the allowable volume and area of masking plate. Numerical examples show that the optimal design yields an improved mode shape and thickness-shear energy.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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