초록 ▼

□ 연구개요
본 연구에서는 다면체 유한요소를 개발/활용함으로써 최적설계 과정에서 격자망 재구성이 불가피한 문제를 효과적으로 해결할 수 있는 새로운 시뮬레이션 기반 최적설계 기법을 제시했다. 최근 최적설계 기법을 지원하는 상용 소프트웨어가 보급되면서 다양한 공학분야에서 최적화 문제가 다뤄지고 있다. 그러나 기존의 최적화 기법만으로는 여전히 접근이 어렵거나 매우 비효율적인 최적화 문제가 존재한다. 특히 반복계산 과정에서 격자망의 재구성이 필요한 시뮬레이션 기반 최적설계의 효율성을 향상시키기 위해서는 새로운 기법의 개발이 요구된다.

□ 연구개요
본 연구에서는 다면체 유한요소를 개발/활용함으로써 최적설계 과정에서 격자망 재구성이 불가피한 문제를 효과적으로 해결할 수 있는 새로운 시뮬레이션 기반 최적설계 기법을 제시했다. 최근 최적설계 기법을 지원하는 상용 소프트웨어가 보급되면서 다양한 공학분야에서 최적화 문제가 다뤄지고 있다. 그러나 기존의 최적화 기법만으로는 여전히 접근이 어렵거나 매우 비효율적인 최적화 문제가 존재한다. 특히 반복계산 과정에서 격자망의 재구성이 필요한 시뮬레이션 기반 최적설계의 효율성을 향상시키기 위해서는 새로운 기법의 개발이 요구된다. 불일치 계면이 발생하여 지속적인 격자망 연결이 필요한 최적설계 문제와 설계변수 업데이트에 따라 지속적으로 격자망을 생성시켜야 하는 문제에 본 연구에서 제안하는 기법을 적용하여 그 효용성을 입증했다. 다면체 유한요소는 서로 다른 격자망을 연결하거나 삼차원 구조의 형상을 효과적으로 표현할 수 있는 장점이 있으므로 시뮬레이션 기반 최적설계 과정에서 격자망의 연결 및 생성에 강력한 도구로 활용될 수 있다.

□ 연구 목표대비 연구결과
< 다면체 유한요소 기반 최적설계 기법의 개발 >
다면체 유한요소는 다각형 면의 형태와 절점의 수에 제한이 없는 임의의 형상을 가진 요소이므로 삼차원 영역에 대한 모델링의 유연성을 획기적으로 증대시킬 수 있는 장점이 있다. 그러나 일반적으로 다면체 유한요소에 대한 형상함수 정의와 수치적분이 매우 어렵고 복잡한 과정을 거쳐 수행되기 때문에 많은 반복계산이 필요한 최적화 문제에 적용하기 위해서는 형상함수의 정의와 수치적분이 간편한 다면체 유한요소를 새롭게 개발해야 한다. 본 연구에서는 평활화 유한요소법의 변형률 평활화 기법을 차용하여 최적설계에 적합한 다면체 유한요소를 선정하여 개발했다. 또한 다면체 유한요소를 이용하여 다양한 물리현상(구조, 열, 전자기장 등)을 다룰 수 있는 유한요소해석 코드를 개발했다. 이어서 다면체 유한요소해석 코드를 최적설계 알고리즘과 결합하여 새로운 다면체 유한요소 기반 최적설계 프레임워크를 구축했다.

< 다면체 유한요소 기반 최적설계 기법의 활용 >
부분영역의 배치를 최적화하는 문제에서는 불일치 계면 문제가 필연적으로 발생하여 격자망의 재구성을 필요로 하게 되는데, 많은 반복계산이 요구되는 최적화 문제에서 격자망 재구성은 상당한 계산 부담을 초래한다. 또한 부분영역의 조합 또는 결합을 최적화하는 문제에서는 설계변수 업데이트에 따른 격자망의 재생성에 매우 많은 시간과 노력이 소요된다. 본 연구에 서는 격자망 연결과 생성에 다면체 유한요소를 효과적으로 활용함으로써 다면체 유한요소에 의한 시뮬레이션 기반 최적설계 기법의 강건성, 효율성, 정확성을 검증했다. 특히, 학술적인 연구에서 그치지 않고 산업현장에서 실질적으로 필요한 문제를 본 연구에서 제안한 기법으로 효과적으로 해결할 수 있음을 보였다.

□ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성)
< 기존 최적설계 기법의 대체 >
다면체 유한요소 기반의 최적설계 기법은 최적화 과정에서 반복적인 격자망 재구성이 요구되는 문제를 효과적으로 해결할 수 있기 때문에 기존의 시뮬레이션 기반 최적설계 기법을 대체할 수 있다. 본 연구에서 제안하는 시뮬레이션 기반 최적설계 기법은 학계뿐만 아니라 산업계 전반에 걸쳐 활용될 수 있으므로 활용범위가 매우 넓으며 실용적인 가치 또한 매우 크다고 할 수 있다.

< 다면체 유한요소 CAE 기술의 선도 >
삼차원 모델링의 유연성을 획기적으로 개선시킬 수 있는 장점을 바탕으로 국내외에서 다면체 유한요소 관련 기초연구가 수행되고 있으나, 아직까지는 실질적인 활용사례가 구축되지 않았다. 본 연구를 통하여 다면체 유한요소를 개발/활용함으로써 국내외적으로 연구의 초기단계에 있는 다면체 유한요소 관련 CAE 기술을 선도할 수 있을 것이다.

< 타 연구로의 확장을 위한 선행연구로서의 활용 >
다면체 유한요소 기반 최적설계 기법을 멀티스케일 해석에까지 확장/적용하기 위하여 본 연구내용을 선행연구로 활용할 수 있다. 또한 다양한 물리현상이 결합되어 있는 문제에도 제안한 기법을 확장/적용할 수 있다. 이와 같이 본 연구는 복잡한 물리현상과 스케일이 엮여 있는 타 연구에 대한 선행연구로서의 역할을 할 수 있을 것이다.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• ● 연구의 필요성 및 내용 ... 4
• ● 최종목표 및 연차별 세부목표 ... 4
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 5
• ● (1차년도) 효율적인 다면체 유한요소의 개발 및 선정 ... 5
• ● (1차년도) 다면체 유한요소 기반 최적설계 프레임워크 구축 및 (2~3차년도) 지속적 격자망 업데이트 알고리즘 구현 및 최적설계 프레임워크 보완 ... 6
• ● (2차년도) 부분영역 배치 최적화 문제 선정 및 해결 ... 6
• ● (3차년도) 부분영역 조합 최적화 문제 선정 및 해결 ... 8
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 10
• 1) 정성적 연구개발성과(연구개발결과) ... 10
• 2) 세부 정량적 연구개발성과 ... 11
• 3) 목표 달성 수준 ... 11
• 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도(연구개발결과의 중요성) ... 12
• 5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 12
• 6. 자체점검표 ... 13
• 7. 참고문헌 ... 14
• 붙임1. 세부 정량적 연구개발성과 ... 16
• 붙임2 연구책임자 대표적 연구실적 및 증빙(요약문 및 사본) ... 17
• 끝페이지 ... 23