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Support Vector Regression 기반 공력-비선형 구조해석 연계시스템을 이용한 유연날개 다목적 최적화
Multi-Objective Optimization of Flexible Wing using Multidisciplinary Design Optimization System of Aero-Non Linear Structure Interaction based on Support Vector Regression 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.43 no.7, 2015년, pp.601 - 608  

최원 (Poongsan Defense R&D Institute) ,  박찬우 (Department of Aerospace Engineering, Gyeongsang National University) ,  정성기 (Engineering Center, Modeling and Applied Social Sciences Federal University of ABC) ,  박현범 (Division of Defence Science & Technology, Howon University)

초록
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유연날개의 공력 및 구조 설계값을 설계 변수로 하여 정적 상태에서의 정적 공탄성해석 및 최적화를 수행하였다. 정적 공탄성해석과 최적화를 위해 상용 해석소프트웨어들이 연계된 강건한 다분야 최적설계 시스템을 개발하였다. 최적화 설계변수로는 가로세로비, 테이퍼비, 후퇴각과 날개 위아래 스킨 두께를 설정하였다. 전역적 다목적 최적화를 위해 실수기반 적응영역 다목적 유전자 알고리즘을 적용하였으며 계산시간을 줄이기 위해 메타모델서포트벡터회귀 기법을 적용하였다. 유연날개에 대한 파레토 결과 분석을 통해 최대 항속시간과 최소 중량에 대한 최적 결과를 확인하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The static aeroelastic analysis and optimization of flexible wings are conducted for steady state conditions while both aerodynamic and structural parameters can be used as optimization variables. The system of multidisciplinary design optimization as a robust methodology to couple commercial codes ...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 계산시간을 줄이기 위해 메타모델로 SVR 근사 모델을 기반으로 구축된 공력-비선형 구조해석 프로세스를 이용하여 유연날개에 대한 항속시간이 최대가 되는 조건과 중량이 최소화 되는 조건에 대해 다목적 최적화를 수행하였다. 항속시간이 최대일 때 항속시간은 설계점 대비 20.
  • 따라서 유연날개는 구조 변위나 변형률이 크게 발생하므로 구조 대변형을 고려한 비선형 구조해석이 요구된다. 본 연구에서는 앞서 설명된 구조물의 돌풍응답과 같은 동적 공탄성 해석을 수행하기 전 정적 상태에서의 정적 공탄성 해석을 수행하였다. 정적 공탄성은 관성력이 고려되지 않은 탄성력과 공기력간의 상호작용으로 다이버전스(divergence), 하중재분포(load redistribution) 등이 있다.
  • Interpolation Model은 랜덤 에러가 없는 전산 실험에 유용한 방법으로 실험점을 정확히 지나는 특징으로 인해 많은 실험점이 존재하는 경우에 비선형성이 큰 시스템의 성능도 정확히 예측하는 장점이 있으나 실험점이 적은 경우에는 성능의 경향을 왜곡하는 단점이 있다. 본 연구에서는 정적 상태에서의 정적공탄성해석을 위해 약결합 방식의 공력-비선형 구조 연계 프로세스를 구성하였으며 SVR 근사 모델 적용을 통한 고세장비 유연날개에 대한 다목적 최적화를 수행하였다.
  • 다목적함수 최적화의 해는 파레토 최적해라 불리는 많은 최적해로 구성된다. 설계자는 설계 범위 안에서 가능한 한 많은 최적해를 찾는 것이 목적이다. 다목적 최적화 방식의 90%가 파레토 프론트에 기반을 둔 방식이고, 이러한 접근방식의 대부분이 메타 발견적(meta-heuristic) 기술을 사용하고 있다.

가설 설정

  • {(xi, yi), ...(xN, yN)]⊂ x × R로 훈련데이터가 주어져 있다고 가정한다.
  • 설계 변수는 가로세로비(Aspect Ratio, AR), 테이퍼비(Taper Ratio, TR), 후퇴각(Sweep Angle, SA), 날개 윗면 스킨 두께, 날개 아래면 스킨 두께이며 구속조건은 공력하중에 의한 최대 날개 변위를 설정하였다. 날개 스킨은 등방성 재 질로 가정하였으며 날개의 변위는 날개 스팬 길이의 0.1%를 초과하지 않는 구속조건을 적용하였다. 다목적 최적화를 위한 두 개의 목적함수는 최대 항속시간와 중량 최소화이다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
공탄성해석 방법 중 직접법은 어떠한 방법인가? 정적 공탄성은 관성력이 고려되지 않은 탄성력과 공기력간의 상호작용으로 다이버전스(divergence), 하중재분포(load redistribution) 등이 있다. 공력과 구조를 연계하여 계산하는 공탄성해석 방법은 직접법(monolithic method)과 시차제법(staggered method)이 있으며 직접법은 구조 및 공력 지배 방정식을 재 공식화하여 통일된 공식을 이끌어내는 방법이며 시차제법은 구조 해석과 공력 해석 관련 변수들을 주고 받아 개별 시스템의 해석을 통한 업데이트를 반복하면서 수렴된 결과를 도출하는 방식이다. 시차제법은 공력해석 결과를 받아 구조해석을 수행하고 구조변 형결과에 대해 공력해석을 다시 수행하여 수렴된 결과를 구하는 약결합(loosely coupling) 방법과 공력해석 수행 시 일정 계산 주기에서 구조해석을 수행하고 구조변형 결과에 대해 공력해석을 수렴해 가는 강결합(tight coupling) 방법으로 구분 된다.
정적 공탄성에는 무엇이 있는가? 본 연구에서는 앞서 설명된 구조물의 돌풍응답과 같은 동적 공탄성 해석을 수행하기 전 정적 상태에서의 정적 공탄성 해석을 수행하였다. 정적 공탄성은 관성력이 고려되지 않은 탄성력과 공기력간의 상호작용으로 다이버전스(divergence), 하중재분포(load redistribution) 등이 있다. 공력과 구조를 연계하여 계산하는 공탄성해석 방법은 직접법(monolithic method)과 시차제법(staggered method)이 있으며 직접법은 구조 및 공력 지배 방정식을 재 공식화하여 통일된 공식을 이끌어내는 방법이며 시차제법은 구조 해석과 공력 해석 관련 변수들을 주고 받아 개별 시스템의 해석을 통한 업데이트를 반복하면서 수렴된 결과를 도출하는 방식이다.
헬리오스의 2003년 6월 하와이에서 6개월 이상 비행하는 장시간 시험 비행 테스트 도중 8,000m 상공에서 추락한 원인은 무엇인가? 헬리오스는 2003년 6월 하와이에서 6개월 이상 비행하는 장시간 시험 비행 테스트 도중 8,000m 상공에서 추락하였다. 사고의 원인은 외부돌풍에 의하여 divergent pitch mode에 빠지게 되었으며 기본 비행속도 때 보다 2배의 진동으로 구조물에 갑작스런 파국적 항복(catastrophic failure)이 발생하여 기체가 파손되었다[1]. Fig.
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참고문헌 (10)

  1. John N. Porter, Duane Stevens, Kevin Roe, Sheldon Kono, David Kress, Eric Lau, "Wind environment in the Lee of Kauai Island, Hawaii during trade wind conditions: weather setting for the Helios Mishap", Journal of Boundary-Layer Meteorology, Volume 123, Issue 3, June 2007, pp.463-480. 

  2. Carlos E. S. Cesnik, Patrick J. Senatore, Weihua Su, Ella M. Atkins, "X-HALE: A Very Flexible UAV for Nonlinear Aeroelastic Tests", 51st AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics, and Materials Conference, 12 - 15 April 2010, Orlando, Florida 

  3. J.H Kim, S.O Jun, D.Y Hur, D.H Lee, 2011.1, "Simultaneous Aero-Structural Design of HALE Aircraft Wing using Multi-Objective Optimization", Journal of KSAS, Vol. 39, No. 1, pp.50-55. 

  4. E.Y Kim, S.M Chang, D.H Lee, M.H Cho, 2012. 11, "An efficient method for fluid/structure interaction analysis considering nonlinear structural behavior", Journal of KSAS, Vol. 40, No. 11, pp.957-962. 

  5. Hounjet M.H.L. and Meijer J.J, 1995, "Evaluation of elastomechanical and aerodynamic data transfer methods for non-planar configuration in computational aeroelastic analysis", National Aerospace Laboratory NLP, NLP-TP-95690 U. 

  6. S. J. Kim, E. J. You, M. G. Jung, J. K. Kim, "Application of Support Vector Regression for Improving the Performance of the Emotion Prediction Model", Journal of Intelligence and Information Systems, vol.18, no.3, 2012. 9, pp.185-202 

  7. J. H. Sim, J. W. Choi, "Indoor Environment Recognition of Mobile Robot Using SVR", Journal of the KIIEE, Vol.24, No.8, 2010. 8, pp.119-125 

  8. S. K. Jung, G, H. Kim, "A Study on Real-Coded Adaptive Range Multi-Objective Genetic Algorithm for Airfoil Shape Design", Journal of KSAS, Vol. 41, No.7, 2013.7, 509-515 

  9. Daisuke Sasaki,"ARMOGA : An efficient Multi-Objective Genetic Algorithm", Technical Report, 2005. 1 

  10. S. Rajagopal and Ranjan Ganguli, "Multidisciplinary Design Optimization of Long Endurance Unmanned Aerial Vehicle Wing", CMES, Vol.1680, No.1, pp.1-34, 2012 

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