보고서 정보
주관연구기관 |
한국과학기술원 Korea Advanced Institute of Science and Technology |
보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
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발행년월 | 2014-05 |
과제시작연도 |
2013 |
주관부처 |
미래창조과학부 Ministry of Science, ICT and Future Planning |
등록번호 |
TRKO201500003934 |
과제고유번호 |
1345200034 |
사업명 |
중견연구자지원 |
DB 구축일자 |
2015-05-23
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키워드 |
CAD/CAE 통합기법.스플라인 유한요소법.CAD 모델.쉘 위상최적설계.민감도 해석.3차원 위상최적설계.Spline FEM.Sensitivity.CAD model.CAD/CAE integrated approach.3D Topology Optimization.Shell Topology Optimization.
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DOI |
https://doi.org/10.23000/TRKO201500003934 |
초록
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연구의 목적 및 내용
본 과제에서는 스플라인 기반의 혁신적인 차세대 위상최적설계 기법을 개발하고 이를 실용적인 공학문제에 적용하는 연구를 수행한다. 최적 설계 기법 개발에 앞서 기초 연구로서 스플라인 기반 유한 요소 해석 기법에 대한 연구를 다방면으로 수행한다. 스플라인 국부세분화, 3차원 구조물 해석, 민감도 해석 등을 통하여 해석의 정확성과 효율성 향상을구현한다. 이를 바탕으로 트리밍 기법을 적용한 3차원 해석과 함께 쉘 구조물, 3차원 구조물에 대한 최적설계를 수행한다. 본 연구에서 최적 설계 수행 시, CAD에서 얻은
연구의 목적 및 내용
본 과제에서는 스플라인 기반의 혁신적인 차세대 위상최적설계 기법을 개발하고 이를 실용적인 공학문제에 적용하는 연구를 수행한다. 최적 설계 기법 개발에 앞서 기초 연구로서 스플라인 기반 유한 요소 해석 기법에 대한 연구를 다방면으로 수행한다. 스플라인 국부세분화, 3차원 구조물 해석, 민감도 해석 등을 통하여 해석의 정확성과 효율성 향상을구현한다. 이를 바탕으로 트리밍 기법을 적용한 3차원 해석과 함께 쉘 구조물, 3차원 구조물에 대한 최적설계를 수행한다. 본 연구에서 최적 설계 수행 시, CAD에서 얻은 모델의 정보를 바탕으로 직접적으로 CAE에 적용하여 최적설계 일련의 과정을 자동화 하는시스템을 구현하고, 이를 실용적인 공학 문제에 적용하여 효용성을 확인한다.
연구결과
1차년도에서는 최적 설계 수행 시 기반이 되는 스플라인 해석 기법을 제안한다.국부세분화 기법 연구를 통하여 해석의 효율성 향상을 정성적, 정량적으로 확인하였다. 3차원 모델에 대한 스플라인 해석 수행과 함께 형상 최적 설계 시 필요한 2차원 트림된형상의 형상 민감도 수식화 및 검증, 이를 바탕으로 2차원 트림된 형상의 형상 최적화를수행하였다.
2차년도에는 트림된 3차원 CAD 모델이 임의의 위상을 갖는 복잡한 경우에 대한 해석 기법 연구를 수행하고, 이를 검증 예제에 적용하여 해석 결과를 분석 하였다. 이와 함께 임의의 3차원 모델에 대한 형상 최적 설계를 수행, 기존의 최적 설계 방법과 목적 함수를 비교하여 최적 설계안에 대한 타당성을 검토 하였다. 트림된 3차원 쉘 구조물에 대한 구조 해석을 수행하고, 형상 및 위상 민감도 수식화 및 검증을 수행하였다. 민감도 수식화를 바탕으로 트림된 3차원 쉘 구조물 형상 최적화를 완료하였다.
3차년도에는 앞서 연차에 수행한 스플라인 해석 기법 및 최적설계 기법을 기반으로 하여 CAD 모델링-스플라인 기반 유한요소 해석- 스플라인 기반 구조최적 설계 기법을 연계하는 최적설계 과정 자동화를 구축하였다. 개발 된 혁신 위상최적설계 기법과 자동화 시스템을 실용적인 대한 최적설계 문제에 적용하여 결과의 타당성을 분석하고 기존방법과 비교하여 혁신설계 기법의 효용성을 검토하였다. 스플라인 기반 최적설계를 도입할 시 큰이점을 보일 것으로 예상되는 유체-구조 상호작용문제, 설계 의존 하중 문제에 적용하여 최적 설계안을 도출하였다.
연구결과의 활용계획
본 과제에서 개발한 스플라인 기반의 자동화된 설계-해석-최적화 시스템이 실제 산업현장에서 매우 유용하게 활용될 수 있을 것이라 예상된다. 공학 및 산업적으로 많이 사용되는 해외 CAE 소프트웨어의 의존에서 벗어나 본 과제에서 제안한 선도적인 CAD-CAE통합기술을 적용함으로써 고부가가치 산업을 선도할 차세대 최적설계 기술과 CAE 기술의 선도국이 되는 발판을 마련할 수 있으며, 이는 국가 과학기술에 큰 기여를 할 수 있을것으로 예상된다. 더불어 역학, 수학적 지식을 기반으로 설계기법의 아이디어를 창출할수 있는 최적설계 전문 인력을 배출함으로써 산업 생산성 향상에 이바지 할 수 있다.
Abstract
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Purpose&contents
The present work proposes a novel topology optimization technology which can treat practical engineering problems. Spline based finite element method analysis will be studied in a various ways to construct the optimization technology. Spline based local refinement, 3d analysis an
Purpose&contents
The present work proposes a novel topology optimization technology which can treat practical engineering problems. Spline based finite element method analysis will be studied in a various ways to construct the optimization technology. Spline based local refinement, 3d analysis and sensitivity analysis lead to some improvement in the accuracy and efficiency. Based on these techniques, 3d analysis for trimmed structure and structural optimization technology for shell structure and 3d structure will be accomplished. In the present work, the proposed optimization technology enables the integration of CAD and CAE in a product design process for building an automatic system of the entire product design. Validity and effectiveness of the present method will be checked through applications on the various fields.
Result
In the first year of the project, spline based analysis technique, which is the fundamental of structural optimization process, was proposed. The improvement of analysis efficiency was verified qualitatively as well as quantitatively by studying on local refinement method. Along with conducting spline analysis on 3D model, shape sensitivity of 2D trimmed shape, which is necessary parameter for optimization process, was also formulated and verified, and 2D trimmed shape optimization based on these was performed. In the second year, a method to analyze 3d trimmed CAD models having arbitrary topology was studied and analyzed with verification examples. Besides, optimization of arbitrary 3D shaped model was performed, and then compared with traditional optimization methods.
Analysis of 3D trimmed shell structure was performed, and its shape and topological sensitivity was formulated and verified. Based on the formulation of sensitivity, shape optimization of 3Dtrimmed shell structure was completed. In the third year, based on the previous studies, automated structural optimization system, integrated with CAD modeling –spline based finite element analysis – spline based structural optimization, was constructed. Validity of developed topology optimization method was surveyed by applying to engineering optimization problem. Fluid-structure interaction problem and design dependent load problem, the ones expected to be most significantly benefited if applied to spline based optimization method, were analysed and proposed optimized design.
Expected Contribution
In the present work, spline based automated design-analysis-optimization system is constructed. It can be applied to industries effectively. By applying leading CAD-CAE integrated technology and achieving independence from foreign CAE software which is widely used in engineering and industry field, , this work will become a foundation of higher-valued industries with optimization technologies and leading country of CAE technology, and eventually will make exceeding contribution to nation’s science and technology. On top of this, productivity will also be enhanced by producing optimization specialists with innovative designing strategies based on advanced understanding of mathematics and mechanics.
목차 Contents
- 핵심연구사업 최종보고서(평가용) ... 1
- 목차 ... 3
- 연구계획 요약문 ... 4
- 연구결과 요약문 ... 5
- 한글요약문 ... 5
- SUMMARY ... 6
- 연구내용 및 결과 ... 7
- 1. 연구개발과제의 개요 ... 7
- 2. 국내외 기술개발 현황 ... 13
- 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 13
- 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 87
- 5. 연구결과의 활용계획 ... 88
- 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 88
- 7. 주관연구책임자 대표적 연구실적 ... 90
- 8. 참고문헌 ... 91
- 9. 연구성과 ... 95
- 10. 기타사항 ... 95
- 끝페이지 ... 109
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