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비선형계획법에서 목적함수의 상한함수를 이용한 강건최적설계
Robust Optimization Using Supremum of the Objective Function for Nonlinear Programming Problems 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.38 no.5, 2014년, pp.535 - 543  

이세정 (한양대학교 기계공학과) ,  박경진 (한양대학교 기계공학과)

초록
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강건최적설계 분야에서 목적함수강건성은 목적함수의 변화가 둔감한 해를 강조한다. 일반적으로 목적함수의 강건성은 설계변수나 파라미터에 대한 목적함수의 변동을 줄임으로써 달성할 수 있다. 하지만, 기존의 방법들에서는 변동에 둔감한 목적을 달성하기 위해 목적함수의 값이 희생되는 경우가 있다. 또한, 설계변수의 수가 증가할수록 비선형계획법을 이용한 강건최적설계의 수치적 계산비용은 증가한다. 본 연구에서는 상한함수를 사용한 새로운 강건성지수와 비선형계획법에서의 강건최적설계 방법을 제안한다. 또한, 제안한 방법의 효율성을 향상시키기 위하여 선형화된 함수의 상한 값을 이용한 방법도 소개한다. 이를 다양한 수학예제에 적용하고 기존의 강건성지수와 수치적 성능 비교를 통해 제안한 방법의 유용성을 검증한다. 제안한 강건성지수는 목적함수의 성능에 손실이 발생하지 않으며 효율성을 크게 향상시킬 수 있다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In the robust optimization field, the robustness of the objective function emphasizes an insensitive design. In general, the robustness of the objective function can be achieved by reducing the change of the objective function with respect to the variation of the design variables and parameters. How...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 강건성을 나타내기 위해 상한함수의 개념을 이용한 방법은 선형 계획법에서 강건성을 고려하기 위한 연구에서 시작한다. (15,16) 본 연구에서는 상한함수를 이용한 개념을 차용하여 비선형 계획법에서 강건최적설계를 위한 목적함수의 강건성 지수를 새로이 제안한다. 설계변수의 공차나 파라미터의 변동범위가 정의될 때 목적함수의 상한함수는 다음과 같다.
  • 기존의 비선형계획법에서 목적함수의 강건성을 확보하기 위한 연구는 설계변수나 파라미터의 변동에 목적함수의 변화가 둔감한 설계를 추구하여 강건성을 달성하려 하였다. 하지만, 제시하는 강건해가 목적함수의 성능에 손실을 발생시킬 수 있는 특징이 있으며, 비선형 계획법에서 강건최적설계를 수행할 때 수치적 비용이 비싸다는 이유로 실제 구조 문제에 적용하는 데 큰 한계점으로 지적되어 왔다.
  • 또한, 제안한 강건성지수로 비선형 계획법을 이용한 강건최적 설계를 수행함에 있어 최적민감도(13)를 적용하여, 강건성지수의 계산만으로 별도의 민감도 계산이 필요하지 않음을 수학적 전개과정을 통해 보인다. 더불어 제안한 강건최적설계 과정의 효율성을 향상시키기 위하여 선형화된 목적함수의 강건성지수를 소개한다. 제안한 방법은 수학 예제에 적용하고 기존의 강건성지수와 수치적 성능 비교를 통해 제안한 방법의 유용성을 검증한다.
  • 이는 설계변수의 개수가 증가할 경우 제안한 방법의 효율성을 감소시킬 수 있다. 따라서 내부 루프에서 최적설계 과정을 수행하지 않고 해를 구할 수 있는 방법을 소개한다.
  • 하지만, 제시하는 강건해가 목적함수의 성능에 손실을 발생시킬 수 있는 특징이 있으며, 비선형 계획법에서 강건최적설계를 수행할 때 수치적 비용이 비싸다는 이유로 실제 구조 문제에 적용하는 데 큰 한계점으로 지적되어 왔다. 본 논문에서는 이를 해결하고자 목적함수의 상한함수를 이용한 강건최적설계방법을 제안하였다. 제안한 지수를 통해 강건최적설계를 수행할 경우 기존 방법에서 일반적으로 추구하던 강건성의 개념과는 달리 목적함수의 손실이 발생하지 않는 강건해를 제시하였다.
  • 본 연구에서는 기존의 강건성지수와 비선형 계획법을 이용한 강건최적설계 방법이 내포하고 있는 한계점을 개선하기 위하여 비선형 계획법에서 목적함수의 상한함수를 이용한 강건최적설계방법을 제안한다. 목적함수의 상한함수로 표현되는 강건성지수는 설계변수나 파라미터의 변동을 고려할 때 목적함수가 가장 큰 부분을 의미한다.
  • (1)강건최적설계의 연구는 모두에 대하여 이루어졌으며, 각 설계 정식화를 구성하는 목적함수와 제한 조건의 강건성을 확보하기 위한 지수의 개발로 이어졌다. 본 연구에서는 목적함수의 강건성을 확보하기 위한 강건성지수와 이를 이용한 비선형 계획법에서 강건최적설계 방법에 대해 논한다.
  • 본 연구에서는 목적함수의 상한함수를 이용한 강건성지수와 과정을 소개하였다. 상한함수를 이용한 개념이나 제안한 방법이 비선형 계획법을 이용한 강건최적설계에서 수치적 비용이 크게 줄어드는 특징은 제한 조건의 강건성으로도 충분히 확대 적용할 수 있으리라 판단된다.
  • 본 연구에서는 설계변수의 공차나 파라미터의 불확실성에 대한 변동범위가 정의되었을 때 목적 강건성을 확보할 수 있는지수와 강건최적설계 방법을 제안한다.

가설 설정

  • 기어감속기 시스템의 특성을 수학식으로 묘사한 예제로 목적함 수는 기어감속기의 질량을, 제한조건은 감속기를 구성하는 기어와 축에 실제 부여되는 설계제약조건들을 의미한다. 설계변수의 공차 범위는 ∆bi= 0.012로 가정하였고, 가중치법에서의 가중치 w = 0.5로 정의하였다. 설계를 위한 정식화는 다음과 같다.
  • 이 예제는 비선형성이 있는 목적함수와 3 개의 제한 조건으로 구성된 문제이다. 초기 설계점은 (3.0 3.5) 이고 설계변수의 공차 범위는 (0.2 0.2) 로 가정하였다.가중치법에서의 가중치 w = 0.
  • 이 예제는 비선형성이 있는 목적함수와 1개의 제한 조건으로 구성된 문제이다. 초기 설계점은 (8.0 9.0)이 고 설계변수의 공차 범위는 (0.1 0.1)로 가정하였다.가중치법에서의 가중치는 w = 0.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
목적함수의 강건성은 어떻게 달성할 수 있는가? 강건최적설계 분야에서 목적함수의 강건성은 목적함수의 변화가 둔감한 해를 강조한다. 일반적으로 목적함수의 강건성은 설계변수나 파라미터에 대한 목적함수의 변동을 줄임으로써 달성할 수 있다. 하지만, 기존의 방법들에서는 변동에 둔감한 목적을 달성하기 위해 목적함수의 값이 희생되는 경우가 있다.
목적함수의 강건성이 강조하는 것은? 강건최적설계 분야에서 목적함수의 강건성은 목적함수의 변화가 둔감한 해를 강조한다. 일반적으로 목적함수의 강건성은 설계변수나 파라미터에 대한 목적함수의 변동을 줄임으로써 달성할 수 있다.
목적함수의 강건성에서 설계변수의 수가 증가하면 일어나는 변화는? 하지만, 기존의 방법들에서는 변동에 둔감한 목적을 달성하기 위해 목적함수의 값이 희생되는 경우가 있다. 또한, 설계변수의 수가 증가할수록 비선형계획법을 이용한 강건최적설계의 수치적 계산비용은 증가한다. 본 연구에서는 상한함수를 사용한 새로운 강건성지수와 비선형계획법에서의 강건최적설계 방법을 제안한다.
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참고문헌 (18)

  1. Arora, J. S., 2012, Introduction to Optimum Design, Elsevier, Korea, pp. 754-760. 

  2. Belegundu, A. D. and Zhang, S., 1992, "Robustness of Design Through Minimum Sensitivity," Journal of Mechanical Design, Vol. 114, pp. 213-217. 

  3. Han, J. S. and Kwak, B. M., 2004, "Robust Optimization Using a Gradient Index: MEMS Applications," Structural Multidisciplinary Optimization, Vol. 27, No. 6, pp. 439-478. 

  4. Kim, N. K., Kim, D. W., Kim, H. G., Lowther, D. A. and Sykulski, J. K., 2010, "Robust Optimization Utilizing the Second-Order Sensitivity Information," IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 46, No. 8, pp. 3117-3120. 

  5. Ramakrishnan, B. and Rao, S. S., 1996, "A General Loss Function Based Optimization Procedure for Robust Design," Engineering Optimization, Vol. 25, pp. 255-276. 

  6. Parkinson, D. B., 2000, "The Application of a Robust Design Method to Tolerancing," Journal of Mechanical Design, Vol. 122, No. 2, pp. 97-102. 

  7. Sundaresan, S., Ishii, K. and Houser, D. R., 1995, "A Robust Optimization Procedure with Variations on Design Variables and Constraints," Engineering Optimization, Vol. 24, No. 2, pp. 101-117. 

  8. Su, J. and Renaud, J. E., 1997, "Automatic Differentiation in Robust Optimization," AIAA Journal, Vol. 35, No. 6, pp. 1072-1079. 

  9. Doltsinis, I. and Kang, Z., 2004, "Robust Design of Structures Using Optimization Methods," Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, Vol. 193, No. 23-26, pp. 2221-2237. 

  10. Lee, K. H., Eom, I. S., Park, G. J. and Lee, W. I., 1996, "Robust Design for Unconstrained Optimization Problems Using the Taguchi Method," AIAA Journal, Vol. 34, No. 5, pp. 1059-1063. 

  11. Chen, W., Wiecek, M. M. and Zhang, J., 1999, "Quality Utility-A Compromise Programming Approach to Robust Design," Journal of Mechanical Design, Vol. 121, No. 2, pp. 179-187. 

  12. Jung, D. H. and Lee, B. C., 2002, "Development of a Simple and Efficient Method for Robust Optimization," International Journal for Numerical Methods in Engineering, Vol. 53, No. 9, pp. 2201-2215. 

  13. Sobieszczanski-Sobieski, J., Barthelemy, J. M. and Riley, K. M., 1982, "Sensitivity of Optimum Solutions of Problem Parameters," AIAA Journal, Vol. 20, No. 9, pp. 1291-1299. 

  14. Lee, S. J., Jeong, S. B. and Park, G. J., 2013, "Investigation of the Robustness Index of the Objective Function in Robust Optimization," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A, Vol. 37, No. 5, pp. 589-599. 

  15. Ben-Tal, A., Ghaoui, L. El. and Nemirovski, A., 2009, Robust Optimization, Princeton University Press, New Jersey. 

  16. Beyer, H. G. and Sendhoff, B., 2007, "Robust Optimization - A Comprehensive Survey," Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, Vol. 196, No. 33-34, pp. 3190-3218. 

  17. Park, G. J., 2007, Analytic Methods for Design Practice, Springer-Verlag, New York, pp. 397-448. 

  18. Lu, S. and Kim, H. M., 2010, "A Regularized Inexact Penalty Decomposition Algorithm for Multidisciplinary Design Optimization Problem with Complementarity Constraints," Journal of Mechanical Design, Vol. 132, No. 4, pp. 041005 (12 pages), http://dx.doi.org/10.1115/1.4001206. 

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