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순차적 크리깅 메타모델의 민감도 검증법
Sensitivity Validation Technique for Sequential Kriging Metamodel 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.36 no.8, 2012년, pp.873 - 879  

허승균 (한양대학교 공과대학 자동차공학과) ,  이진민 (한양대학교 공과대학 자동차공학과) ,  이태희 (한양대학교 공과대학 자동차공학과)

초록
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메타모델은 설계 프레임워크 안에서 높은 효율성과 우수한 예측 능력, 타 프로그램과 쉬운 연동성 때문에 공학분야에서 지난 10 년간 최적설계 기법들과 함께 발전해왔다. 메타모델을 구성하기 위해서는 실험계획법, 메타모델링 기법, 검증법과 같은 절차가 요구된다. 검증법은 메타모델의 정확성을 판단하기 때문에 순차적 크리깅 메타모델에서 정확한 크리깅 메타모델을 구성하기 위한 표본점의 개수를 결정한다. 크리깅 메타모델과 같은 보간모델은 표본점에서의 응답을 항상 지나기 때문에 기존 방법으로 메타모델의 정확성을 판단하기 위해서는 추가적인 해석이나 메타모델의 재구성이 요구된다. 본 연구에서는 이러한 추가적인 해석과 메타모델의 재구성을 요구하지 않는 메타모델의 해석적 민감도를 이용하는 민감도 검증법을 제안한다. 14 개의 2 차원 수학예제와 공학예제를 이용하여 이 방법의 타당성을 검증한다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Metamodels have been developed with a variety of design optimization techniques in the field of structural engineering over the last decade because they are efficient, show excellent prediction performance, and provide easy interconnections into design frameworks. To construct a metamodel, a sequent...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서 제안한 민감도 검증법을 용접 대차의 구조응답에 대한 크리깅 메타모델의 근사화 문제에 도입하여 제안된 방법의 실제 공학 문제에 대한 적용 가능성을 검토하였다. 구조 해석은 상용 유한요소 프로그램인 ANSYS 를 사용하였다.
  • 본 연구에서는 기존 검증법들과는 다르게 추가적인 크리깅 메타모델의 재생성을 필요로 하지 않고 오직 크리깅 메타모델에서 제공하는 민감도 정보만을 이용하여 효율적이며, 순차적 크리깅 메타 모델을 적용할 때 실험의 종료조건으로도 사용 가능한 민감도 검증법을 제안한다.
  • 본 연구에서는 순차적으로 생성된 크리깅 메타 모델이 정확해지면서 변화가 작아지고 이에 따라 민감도 차이가 0 에 가까워진다는 것을 이용하여 민감도 검증법을 제안하였다. 다양한 수학 함수와 실제 공학 예제에 적용하여 기존 방법들과 달리 추가 예측점의 생성과 시뮬레이션 모델의 추가 해석을 필요로 하지 않고, 메타모델의 재구성도 요구하지 않기 때문에 수치적인 계산 비용을 줄일 수 있다.
  • 본 연구에서는 추가적인 해석과 메타모델의 재생성이 필요하지 않고 오직 크리깅 메타모델에서 제공하는 민감도 정보만을 이용한 효율적인 민감도 검증법을 제안한다. 또한 제안된 검증법을 다양한 수학 예제와 실제 공학 예제에 적용하여 기존의 검증법들과 비교를 통해 메타모델의 정확성 판단과 종료조건으로의 타당성을 확인한다.

가설 설정

  • 이러한 경우는 최종 수렴된 표본점의 개수 중 최대값을 사용하였다. 연속 3 번으로 크리깅 메타모델이 위에 조건을 만족한다면 크리깅 메타모델이 크게 변화하지 않을 것이다. 민감도 검증법의 가장 큰 장점은 추가 해석이나 검증점의 추가 생성, 메타모델의 재구성 없이 메타모델의 정확성을 판단할 수 있는 것이며, 순차적 크리깅 메타모델에 적용하였을 때 실험의 종료조건을 제안하는 것이다.
  • 크리깅 메타모델은 추정해야 할 실제 함수를 식(3)와 같이 평균(mean)에 해당하는 전역모델 f(x)Tβ과 편차(deviation)에 해당하는 국부모델 Z(x)의 합으로 가정한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
메타모델링 기법은 무엇으로 구성되는가? 메타모델링 기법은 크게 메타모델을 구성하기 위해 정해진 기준에 따라 표본점을 선택하는 실험 계획법, 이 표본점의 정보를 통해 메타모델을 구성하는 메타모델링 기법, 구성된 메타모델의 정확성을 판단하는 검증법 등으로 구성된다.
실험의 종류에 따라 어떤 메타모델을 사용하는가? 메타모델은 크게 회귀모델(regression model)과 보간모델(interpolation model)로 분류된다. 회귀모델은 표본점에서의 응답값을 지나지 않기 때문에 비선 형성이 작은 전산실험이나 실험오차가 존재하는 실제 실험(physical experiment)에 많이 사용되고 있다. 반면에 표본점에서의 응답값을 지나는 보간모델은 비선형성이 강하고, 같은 입력에 대해서 동일한 응답을 주는 전산실험에 많이 사용되고 있다. 본 연구는 전산실험을 기반으로 하기 때문에 대표적 보간모델인 크리깅 메타모델만을 다룬다.
산업체에서 개발하는 실제 설계문제에 최적설계 기법을 직접 적용하는 것에 한계가 있는 이유는 무엇인가? 많은 해석횟수가 필요한 다양한 최적설계 기법에 실제 설계문제에 사용되는 대형 시뮬레이션 모델이나 해석시간이 많이 소요되는 해석 모델을 사용하게 되면 계산 비용이 기하급수적으로 증가한다. 따라서 컴퓨터 성능의 지속적인 발전에도 불구하고 산업체에서 개발하는 실제 설계문제에 최적설계 기법을 직접 적용하기에는 한계가 있다.
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참고문헌 (10)

  1. Lee, T.H., Lee, C.J. and Lee, K.K., 2003, "Shape Optimization of a CRT Based on Response Surface and Kriging Metamodels," Trans. of the KSME (A), Vol. 27, No. 3, pp. 381-386. 

  2. Simpson, T.W., Mauery, T.M., Korte, J.J. and Mistree, F., 2001, "Kriging Models for Global Approximation in Simulation-Based Multidisciplinary Design Optimization," AIAA Journal, Vol. 39, No. 12, pp. 2234-2241. 

  3. Johnson, M.E., Moore, L.M. and Ylvisaker, D., 1990, "Minimax and Maximin Distance Designs," Journal of Statistical Planning and Inference, Vol. 26(2), pp. 131-148. 

  4. Shewry M.C. and Wynn H.P., 1987, "Maximum Entropy Sampling," Journal of Applied Statistics, vol. 14, No. 2, pp. 165-170. 

  5. Sacks, J., Welch, W.J., Mitchell, T.J. and Wynn, H.P., 1989, "Design and Analysis of Computer Experiments," Statistical Science, Vol. 4, No.4, pp. 409-435. 

  6. Meckesheimer, M., Barton, R.R., Simpson, T.W., and Booker, A.j., 2002, "Computationally Inexpensive Metamodel Assessment Strategies,'' AIAA Journal, Vol. 40, No.10, pp. 2053-2060. 

  7. Shao, j., 1993, "Linear Model Selection by Cross- Validation," Journal of American Statistical Association, Vol.88, No. 422, pp. 486-494. 

  8. Jin, R., Chen, W. and Sudjianto, A., 2002, "On Sequential Sampling for Global Metamodeling in Engineering Design," Proceeding of DETC'02 ASME 2002 Design Engineering Technical Conferences and Computers and Information in Engineering Conference, DETC2002/DAC-32092. 

  9. Jang, J., Lee, J.M. and Lee, T.H., 2011, "A Study of C1-continuity of Split Region Kriging model according to Correlation Functions," Proceedings of the KSME(A ), pp. 174-179. 

  10. Kim, H.S. and Lee, T.H., 2010, "Mean-Variance- Validation Technique for Sequential Kriging Metamodels," Trans. of the KSME (A), Vol. 34, No. 5, pp. 511-657. 

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