보고서 정보
주관연구기관 |
서울대학교 Seoul National University |
연구책임자 |
김윤영
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보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
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발행년월 | 2011-06 |
과제시작연도 |
2010 |
주관부처 |
교육과학기술부 |
사업 관리 기관 |
한국연구재단 |
등록번호 |
TRKO201200003293 |
과제고유번호 |
1345126121 |
DB 구축일자 |
2013-04-18
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키워드 |
멀티피직스 시스템,자동 설계,위상 최적화,멀티스케일multiphysics systems,automatic design,topology optimization,multiscale
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초록
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연구의 목적 및 내용
본 연구단의 연구 목표는 멀티피직스 시스템(다중 물리계)을 최적화 설계할 수 있는 설계 기술, 특히 초기 설계안이나 설계자의 직관 없이 최적화된 시스템을 도출하는 설계기술을 개발하는 것이다. 멀티피직스 시스템은 탄성, 열전달, 전기-자기, 진동, 음향과 같은 단일 물리계 중 둘 이상의 물리계가 서로 연성되어 있는 복잡한 물리계를 의미하는데, 단일 시스템에 사용되던 설계기법을 이런 시스템에 적용하는 것이 매우 제한적이라 멀티피직스 시스템을 위한 새로운 창의적 설계 기법이 필요하다. 본 연구단에서는 위상최적설
연구의 목적 및 내용
본 연구단의 연구 목표는 멀티피직스 시스템(다중 물리계)을 최적화 설계할 수 있는 설계 기술, 특히 초기 설계안이나 설계자의 직관 없이 최적화된 시스템을 도출하는 설계기술을 개발하는 것이다. 멀티피직스 시스템은 탄성, 열전달, 전기-자기, 진동, 음향과 같은 단일 물리계 중 둘 이상의 물리계가 서로 연성되어 있는 복잡한 물리계를 의미하는데, 단일 시스템에 사용되던 설계기법을 이런 시스템에 적용하는 것이 매우 제한적이라 멀티피직스 시스템을 위한 새로운 창의적 설계 기법이 필요하다. 본 연구단에서는 위상최적설계기법에 기초한 창의적인 설계기술을 연구하며 또 그 타당성을 시뮬레이션과 실험을 통해 검증하고 또 공학문제에 적용하고자 한다.
연구결과
먼저 1단계에서는 단일 물리계에서의 위상최적설계기법을 멀티피직스 시스템에 적용하기 위한 핵심기술을 연구하였다. 예를 들어, 제작 가능성에서의 문제를 해결하기 위해 웨이블렛 기반 다중해상도 다중스케일 위상최적기법과 조인트에서 부재들 간의 조립성을 고려한 위상최적기법, 전자기장에서의 최적화기법 등을 개발하였다. 이를 통하여 자동설계시 제작 가능성을 함께 고려할 수 있는 창의적 위상최적설계 기법 등을 확보할 수 있었다. 2단계에서는 다양한 멀티피직스 분야에서 위상최적설계를 구현할 수 있은 핵심 기술을 연구하였다. 열-구조 연성시 발생하는 수치문제를 해결하기 위해 요소연 결매개법을 제안하였고, 음향/탄성/흡음재가 혼재된 다상 멀티피직스 시스템 설계를 위한 통합다상모델링기법을 개발하였으며 핵심현상만을 추출하여 설계하는 현상학적 모델링 기법, 그리고 원 문제를 위상최적설계기법을 적용할 수 있게 변경하는 유사물리계전환기법을 개발하였다. 또한 스케일을 조절하면서도 효과적으로 최적화를 수행할 수있는 다중해상도 다중스케일 최적화기법도 개발함으로써 멀티피직스 분야의 주요 난제를 해결하였다. 그리고 3 단계에서는 개발된 설계기법을 확장하였을 뿐 아니라 다양한분야에 적용하였다. 다강성 물질이나 압전 물질 기반 에너지 수확장치, 패널형 흡차음시스템, 자기변형 트랜스듀서 설계를 수행하였다. 또한 다양한 시뮬레이션과 실험을 통해 개발된 설계 기법의 타당성을 검증하였다.
연구결과의 활용계획
창의사업을 수행하면서 양성된 우수 인력을 국내 설계분야의 핵심인력으로 활용될 수 있도록 할 계획이다. 멀티피직스 시스템 설계에 대한 산업계의 요구가 더욱 커지는 점을 감안하여, 앞으로 본 연구단의 멀티피직스 자동설계기법과 축적된 관련 기술 노하우들 산업계에 적극 보급함으로써 국내 설계기술을 한단계 업그레이드하고자 한다. 또한 본 사업단의 설계기술은 사업단에서 주로 다루었던 분야 이외에도 적용될 수 있는 핵심기반 설계기술이기 때문에, 다른 공학 분야는 물론 다른 설계이슈가 있는 다른 관련 분야에 활용토록 하고자 한다.
Abstract
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Purpose & contents
The research objective of this center is to develop a creative methodology to design multiphysics systems - an automatic design methodology not requiring initial baseline designs or designers' intuition. Because multiphysics systems involve two or more physical principles among
Purpose & contents
The research objective of this center is to develop a creative methodology to design multiphysics systems - an automatic design methodology not requiring initial baseline designs or designers' intuition. Because multiphysics systems involve two or more physical principles among elasticity, heat transfer, electromagnetics, vibration, acoustics, and others, the direct application of design methodologies developed earlier for single physics systems to multiphysics systems is difficult. Consequently, a new or advanced design methodology must be developed for creative design of multiphysics systems. This center is devoted to investigate a multiphysics system design methodology based on the topology optimization methodology, to verify the effectiveness of the developed methodology through simulations and experiments and to apply it for engineering problems.
Result
The Phase 1 research was focused on the advancement of the topology optimization method of structural problems to multiphysics systems. Among others, wavelet-based multiresolution multiscale topology optimization for scale control, assembly-considered topology optimization and formulation for electric field optimization were investigated. These methods allow the consideration of manufacturability in a design stage. In Phase 2, key design methodologies based on topology optimization were developed for major multiphysics systems. These include element connectivity parameterization for controlling numerical instability in structural-thermal coupled systems, unified multiphase modeling for vibroacoustic poroelastic systems, phenomenological modeling for extracting core physical mechanisms, similar system modeling for converting the orignal problems to problems suitable for topology optimization and multiscale multiresolution genetic algorithm. The Phase 3 research was to expand the developed methodologies in Pha2 and to apply them to various engineering problems including multiferroic and piezoelectric systems, energy-harvesting devices, panel-type sound absorption systems, magnetostrictive transducers. Along with these applications, various simulations and experiments were performed to verify the validity of the developed methodologies.
Expected Contribution
Highly-trained human resources generated through this research will play key roles in universities, research institutes, and industry. Furthermore, the research output and experiences have been and will critically contribute to upgrade the level of the design technology of multiphysics systems because the demand for multiphysics system design technologies is ever-increasing from the Korean industrial sector. Noting that the developed design methodology is a methodology based on creative idea, it can and will be expanded to other engineering and even non-engineering fields for generating creative outputs or products.
목차 Contents
- 리더연구자지원사업(창의적연구) 최종보고서(제출용) ... 1
- 목 차 ... 2
- 연구계획 요약문 ... 3
- 연구결과 요약문 ... 4
- 한글 ... 4
- SUMMARY ... 5
- 연구내용 및 결과 ... 6
- 1. 연구개발과제의 개요 ... 6
- 2. 국내외 기술개발 현황 ... 11
- 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 12
- 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 56
- 5. 연구결과의 활용계획 ... 58
- 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 59
- 7. 주관연구책임자 대표적 연구실적 ... 61
- 8. 참고문헌 ... 62
- 9. 연구성과 ... 70
- 10. 연구기자재 현황 및 활용 ... 129
- 11. 기타사항 ... 137
- [별첨1] 대표연구성과 ... 138
- 자체평가 의견서 ... 148
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