본 연구 논문에서는 요소 연결 매개법(Element Connectivity Parameterization Method)을 이용하여 선형 구조물의 동적 컴플라이언스(Dynamic compliance)를 최소화하는 위상을 설계하는 기법을 연구한다. 기존의 밀도를 기반으로 한 위상최적화기법은 각 유한 요소의 탄성계수를 각 요소에 정의되어 있는 설계변수(Design Variable)를 이용하여 위상최적화를 수행한다. 이 방법은 현재까지 많은 선형구조문제에 적용되었지만 비선형 문제와 멀티피직스 시스템에서 수치적인 문제점이 보고되었다. 이런 문제점을 근본적으로 해결하기 위하여 최근에 요소 연결 매개법(Element Connectivity Parameterization Method)이란 새로운 최적화 기법이 개발되었다. 이 새로운 설계 방법은 요소의 강성을 설계하는 것이 아니라 요소의 연결성을 설계하는 기법으로 이를 이용하여 비선형 구조물이나 멀티피직스 시스템의 위상최적화를 효과적으로 수행할 수 있다. 하지만, 아직까지 질량 행렬의 정의에 대한 모호함으로 인하여 동적인 구조물의 최적화에 대한 연구가 많이 이루어지지 않았다. 이런 문제점을 해결하기 위하여 요소 연결 매개법에서 질량행렬을 정의하는 방법을 연구하며, 이를 이용하여 선형 구조물의 동적 컴플라이언스(Dynamic Compliance)를 고려한 위상최적화 문제에 적용하여 제안된 방법을 검증하였다.
Topology optimization is begun with layout optimization that is attributed to Rozvany and Prager of the 1960's. They claimed that structure was transformed into truss connecting all the nodes of finite element and optimized by control of its sectional modulus. But, this method is partial topology optimization. General layout optimal design appliable to continum structure was proposed by Bendsoe and Kikuchi in 1988. Topology optimization expresses material stiffness of structure into function of arbitrary variable. If this variable is 1, material exists but if this variable is 0, material doesn't exist. Therefore, topology optimization searches the distribution function of material stiffness for structure. There are a few researchs for simple engineering problem such as topology optimization of square plane structure or truss structure. So, This study applied to topology optimization of table liner for vertical roller mill that is the largest scale in the world. After table liner decreased by 20% of original weight, the structure analysis for first optimized model was performed.
Topology optimization is applied to determine the layout of a structure whose eigenfrequency coincides with a specified frequency. The topology optimization problem is formulated to minimize the difference between the structural frequency and a given frequency using the homogenization method and the modified optimality criteria method. It turns out that the value of a weighting factor in the updating scheme plays an important role to achieve both a suitable speed and a stable convergence of an algorithm. Unlike a constant weighting factor in previous works, it is suggested that a weight factor is varied during the iteration to control the amount of the frequency change. To substantiate the proposed approach two-dimensional structural design problems are presented and the resulted topology layouts for the specified eigenfrequency are compared to layouts for maximizing the corresponding eigenfrequency.
The purpose of this study was to develop a new element removal method for ESO (Evolutionary Structural Optimization), which is one of the topology optimization methods. ESO starts with the maximum allowable design space and the optimal topology emerges by a process of removal of lowly stressed elements. The element removal ratio of ESO is fixed throughout topology optimization at 1 or 2%. BESO (bidirectional ESO) starts with either the least number of elements connecting the loads to the supports, or an initial design domain that fits within the maximum allowable domain, and the optimal topology evolves by adding or subtracting elements. But the convergence rate of BESO is also very slow. In this paper, a new element removal method for ESO was developed for improvement of the convergence rate. Then it was applied to the same problems as those in papers published previously. From the results, it was verified that the convergence rate was significantly improved compared with ESO as well as BESO.
An acoustic topology optimization method is developed to optimize the acoustic attenuation capability of a muffler. The transmission loss of the muffler is calculated by using the three-point method based on finite element analysis. Each element of the finite element model is assumed to have the variable acoustic properties, which are penalized by a carefully-selected interpolation function to yield clear expansion chamber shapes at the end of topology optimization. The objective of the acoustic topology optimization problem formulated in this work is to maximize the transmission loss at a target frequency. The transmission loss value at a deep frequency of a nominal muffler configuration can be dramatically increased by the proposed optimization method. Optimal muffler configurations are also obtained for other frequencies.
A topology optimization methodology, named "smooth boundary topology optimization," is proposed to overcome the shortcomings of cell-based methods. Material boundary is represented by B-spline curves and their control points are considered as design variables. The design is improved by either creating a hole or moving control points. To determine which is more beneficial, a selection criterion is defined. Once determined to create a hole, it is represented by a new B-spline and recognized as a new boundary. Because the proposed method deals with the control points of B-spline as design variables, their total number is much smaller than cell-based methods and it ensures smooth boundaries. Differences between our method and level set method are also discussed. It is shown that our method is a natural way of obtaining smooth boundary topology design effectively combining computer graphics technique and design sensitivity analysis.
위상최적설계는 개념설계에 적합하며, 제품의 설계에서 사용되어지고 있다. 전통적인 위상최적화는 균질화법과 최적조건법을 사용해 왔다. 균질화법은 구멍으로 구성된 구조물과 강성행렬사이의 관계를 연결해주는데 사용되며, 최적조건법은 부피분율을 유지하며 설계변수의 개선에 사용되어진다. 전통적인 위상최적설계는 수렴성이 좋은 장점은 있지만 수렴시간이 많이 걸린다는 단점이 있었다. 이 문제를 해결하는 하나의 방법으로 평균 응력량을 기준으로 요소를 제거하는 요소제거법을 제시하였다. 예제에서 수렴속도가 향상됨을 알 수 있었다.
A full treatment of damping material is not an effective method because the damping effect is not significantly increased compared to that obtained by an effective partial damping treatment. Thus, a variety of methodologies has been considered in order to achieve an optimal damping treatment. One of the widely applied approaches is topology optimization. However, the high computational expenses can be an issue in topology optimization. A new efficient convergence criterion, reducible design variable method (RDVM), is applied to reduce computational expense in topology optimization. The idea of RDVM topology optimization is to adaptively reduce the number of design variables based on the history. The iteration repeats until the number of design variables becomes zero. The aim of this research is to adopt RDVM topology optimization into obtaining an optimal damping treatment. In order to demonstrate the effectiveness and efficiency of RDVM topology optimization, optimal damping layouts and computational expenses are compared between conventional and RDVM topology optimization.
Concurrent topology optimization of macrostructure and microstructure has attracted significant interest due to its high structural performance. However, most of the existing works are carried out under deterministic conditions, the obtained design may be vulnerable or even cause catastrophic failure when the load position exists uncertainty. Therefore, it is necessary to take load position uncertainty into consideration in structural design. This paper presents a computational method for robust concurrent topology optimization with consideration of load position uncertainty. The weighted sum of the mean and standard deviation of the structural compliance is defined as the objective function with constraints are imposed to both macro- and micro-scale structure volume fractions. The Bivariate Dimension Reduction method and Gauss-type quadrature (BDRGQ) are used to quantify and propagate load uncertainty to calculate the objective function. The effective properties of microstructure are evaluated by the numerical homogenization method. To release the computation burden, the decoupled sensitivity analysis method is proposed for microscale design variables. The bi-directional evolutionary structural optimization (BESO) method is used to obtain the black-and-white designs. Several 2D and 3D examples are presented to validate the effectiveness of the proposed robust concurrent topology optimization method.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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