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초록
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본 논문에서는 아이소-지오메트릭 형상 최적설계 기법에서 얻은 CAD 정보를 직접 활용하여, 3D 프린터를 활용한 실험적 검증을 위한 시편을 제작하였다. 유한요소법에서는 요소망에 내재하는 기하학적인 근사가 응답과 설계민감도 해석에서 정밀도 문제를 발생시킨다. 더욱이 유한요소 기반 형상 최적화 과정에서는 CAD와의 정보교환이 필수적이나 그 과정에서 최적설계 정보의 손실이 발생할 수 있다. 아이소-지오메트릭 기법은 CAD에서 사용된 동일한 NURBS 기저함수와 조정점을 사용하므로 법선벡터와 곡률과 같은 엄밀한 기하학적 정보를 응답해석과 설계민감도 해석에 사용할 수 있다. 또한 최적설계 과정에서 CAD와 정보교환 없이 복잡한 형상을 손쉽게 변경할 수 있다. 그러므로 최적의 설계의 재료량을 실험적 검증을 위한 시편제작에 엄밀하게 반영할 수 있다. 굽힘 하중을 받는 단순지지 구조물에 대한 최적설계 및 실험적 검증을 통해 최적형상이 초기 형상에 비해 더 큰 강성을 가지며 실험결과와 수치 해석결과가 매우 잘 일치함을 보였다. 또한 인장력을 받는 유공판에 대한 형상 최적설계를 수행하였으며, 비접촉식 3차원 변형 측정 장치를 이용하여 초기설계에 비해 최적설계에서 구멍주변에서의 응력집중 현상이 완화됨을 확인하였다. 따라서 수치적인 방법을 활용한 최적설계가 실제 구조물에 대한 실험에서도 유효함을 입증하였다고 할 수 있다. 또한, 아이소-지오메트릭 최적설계 방법론이 기존의 유한요소법에 비해서 최적설계 결과를 제작하여 활용하는데 있어서도 훨씬 효율적이고 엄밀한 방법임을 보였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this paper, the CAD data for the optimal shape design obtained by isogeometric shape optimization is directly used to fabricate the specimen by using 3D printer for the experimental validation. In a conventional finite element method, the geometric approximation inherent in the mesh leads to the ...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 실험과정에서 단순지지 경계조건을 정확히 양끝 지점에 가하는 것이 힘들기 때문에 양끝에서 5mm 안쪽 지점에 경계조건을 가하여 형상 최적화를 수행하였다. 목적함수는 컴플라이언스를 최소화하는 것으로 하였으며, 허용 재료량은 초기 재료량과 동일하게 하였다.
  • 그러나 최근 고 정밀 3D 프린터의 보급으로 인하여 실험 모델의 제작이 매우 수월해진 상황이다. 본 논문에서는 3D 프린터를 사용한 아이소-지오메트릭 최적설계 모델의 제작, 실험, 그리고 수치해석 결과와의 부합정도를 확인하며, 이를 통하여 개발된 아이소-지오메트릭 최적설계 방법론의 실험적 근거를 마련하고자 한다.
  • 본 논문에서는 아이소-지오메트릭 형상 최적설계 기법을 이용하여 형상 최적설계를 수행하고, 최적형상에 대한 실험적 검증을 수행하였다. 유한요소 기법과 달리 아이소-지오메트릭 형상 최적설계 기법은 최적설계 형상을 CAD 모델로의 변환하는 과정이 필요없으므로, 최적설계를 통해 얻은 최적형상 및 재료량 정보를 구조물의 제작에도 엄밀하게 반영할 수 있다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
아이소-지오메트릭 해석이 법선 벡터나 곡률과 같은 고차의 기하학적 정보를 정확하게 계산할 수 있는 이유는 무엇인가? 아이소-지오메트릭 해석법(Isogeometric Analysis)은 2005년 Hughes 등에 의해 수학적으로 정립되었다. 아이소-지오메트릭 해석은 CAD에서 사용되는 NURBS(Non-Uniform Rational B-splines)를 기저함수로 사용하기 때문에 기하학적으로 엄밀한 형상의 표현이 가능하므로 법선 벡터나 곡률과 같은 고차의 기하학적 정보를 정확하게 계산할 수 있다. 따라서 이러한 값들이 이용되는 형상 설계민감도 해석과 형상 최적설계 분야에 있어서 기존의 유한요소법에 비해 큰 이점을 가지고 있다(Cho et al.
아이소-지오메트릭 해석법이 유한요소 기반 형상 최적설계의 설계변수의 매개화(Parameterization)의 어려움을 극복할 수 있는 이유는 무엇인가? , 2009). 또한, 최적화 과정에서 형상의 변화에 따른 요소망의 재구성없이 고 정밀도의 최적형상을 얻을 수 있는 장점이 있어서 유한요소 기반 형상 최적설계의 설계변수의 매개화(Parameterization)의 어려움을 극복할 수 있다.
아이소-지오메트릭 해석법은 언제 수학적으로 정립되었는가? 아이소-지오메트릭 해석법(Isogeometric Analysis)은 2005년 Hughes 등에 의해 수학적으로 정립되었다. 아이소-지오메트릭 해석은 CAD에서 사용되는 NURBS(Non-Uniform Rational B-splines)를 기저함수로 사용하기 때문에 기하학적으로 엄밀한 형상의 표현이 가능하므로 법선 벡터나 곡률과 같은 고차의 기하학적 정보를 정확하게 계산할 수 있다.
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참고문헌 (10)

  1. Bendsoe, M.P., Kikuchi, N. (1988) Generating Optimal Topologies in Structural Design using a Homogenization Method, Comput. Methods Appl. Mech.& Eng., 71, pp.197-224. 

  2. Cha, S.H., Lee, S.W., Cho, S. (2013) Experimental Validation of Topology Design Optimization, J. Comput. Struct. Eng. Inst. Korea, 26(4), pp.241-246. 

  3. Cho, S., Ha, S.H. (2009) Isogeometric Shape Design Optimization: Exact Geometry and Enhanced Sensitivity, Struct. & Multidisc. Optim., 38(1), pp.53-70. 

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  5. Haug, E.J., Choi, K.K., Komkov, V. (1986) Design Sensitivity Analysis of Structural Systems, Academic Press, New York. 

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  7. Lee, S.W., Cho, S. (2013) Isogeometric Shape Design Sensitivity Analysis of Mindlin Plate, J. Comput. Struct. Eng. Inst. Korea, 26(4), pp.255-262. 

  8. Piegl, L., Tiller, W. (1997) The NURBS Book (Monographs in Visual Communication), 2nd ed., Springer, New York. 

  9. Sigmund, O. (1997) On the Design of Compliant Mechanisms using Topology Optimization, Mech. Struct.& Mach., 25(4), pp.493-524. 

  10. Yoon, M., Ha, S.H., Cho, S. (2013) Isogeometric Shape Design Optimization of Heat Conduction Problems, Int. J. Heat & Mass Transfer, 62, pp.272-285. 

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