In this work, we deal with the feasibility of structural topology optimization for beam designs using retrofits that optimally allocates the reinforcement to the web under the condition that designers set bolt regions for H-beams of different dimensions. Mean compliance or minimal strain energy is considered for the optimization. Volume fraction is given to the design space to assign appropriate steel material quantities. The purpose of this study is to evaluate optimal shapes of stiffeners with the maximum rigidity that improves the axial and shear performance of the H-beam and to satisfy a given safety design standard of H-beam and stiffeners in case arbitrary load effect and resistances. Finally, the effectiveness of stiffness-based topology optimization on stiffeners is verified with several practical applicable examples.

In the automobile manufacturing industry, lightweight design is one of the essential challenges to be solved fundamentally. The vehicle wheels are classified as safety related components as the main substructure of the vehicle. In this study, we illustrate a technique for selecting the appropriate number of spokes. Based on the basic model of the selected number of spokes, we propose a method to maintain stiffness and design lightweight using topology optimization software. Based on the basic model of the selected number of spokes, it was redesigned to be lightweight while maintaining stiffness by utilizing topology optimization software. By comparing and reviewing the structural analysis results of the basic model and the redesigned model, a design technique that can maintain structural safety and reduce wheel mass was proposed.

가거초 해양과학기지 자켓 구조물 내 콘크리트를 배제하고 강재로만 이루어진 최적설계를 제시한다. 50년 재현주기 극한하중조건에서 허용응력 및 허용응력비 조건을 모두 만족하는 안전한 경량 설계를 목표하였다. 역할에 따라 부재를 세 그룹으로 나눈 설계 조건 (Case-1)과 보다 세분화한 설계 조건(Case-2)에 대해 각 부재그룹별 현재 단면 두께 대비 두께 변화율을 설계변수로 설정한 유전 알고 리즘을 통해 최적설계를 탐색하였다. 그 결과 Case-1의 결과로 현재 가거초 해양과학기지보다 약 217톤 더 가벼운 설계(OPT-1)를 찾았고, Case-2에서는 추가적으로 약 84톤을 경량화하여 현재 대비 약 45%의 무게를 절감한 설계(OPT-2)를 얻을 수 있었다. 결론적으로 레그 내 콘크리트 보강 없이도 극한조건에서 허용응력 및 허용응력비를 모두 만족시킬 수 있는 경량화된 가거초 해양과학기지 설계를 제시하였다.

본 논문에서는 AISC 표준 단면을 설계 변수로 하는 캔틸레버 타입 헬리데크 모델의 유전 알고리즘 최적설계를 소개한다. AISC 표준 단면을 단면 형상별로 분류하고 단면적 순으로 정렬한 후 정수 단면 번호를 부여하여 설계 변수로 최적설계를 수행하였다. 이 과정을 통하여 이산화된 설계 변수를 가지는 최적설계 문제를 해결하기 위해 유전 알고리즘을 적용하였다. 또한, 제약조건으로 허용응력 및 허용응력비 검사 조건을 모두 고려하여 구조물의 구조 안정성을 고려한 설계를 수행하였다. 최적설계 과정중 매 반복계산 마다 수행되는 구조해석 시간을 단축시키기 위해 선형 중첩법을 사용하였고, 이를 통해 구조 해석 시간을 약 75% 감소시킬 수 있었다. 또한 헬리데크 최적설계의 경량 효과를 높이기 위해 부재 그룹 세분화를 하였고, 그 결과를 선행 연구 모델, 기존의 부재 그룹 모델과 비교하였다. 그 결과 선행연구 대비 약 30톤의 부재를 절감할 수 있었으며, 구조적으로도 보다 안전한 헬리데크 설계를 얻을 수 있었다.

In this paper, it is covered in detail the process of generating structural alternatives with geometry change and its optimization by StrAuto. The main roof structure of the Exhibition Center is modelled parametrically and the optimal alt is derived by observing volume changes according to geometry change of main roof truss. Existing studies performed optimization process through sections and properties due to the limitations of shape change, but this study have meaning of performing the optimization with geometry changes which is the most critical skills of StrAuto. By the process of securing a sufficient margin by geometry changes and reducing volume with the optimization of sections, despite of a partial optimization of large space structure, it could be reduced by 11.7% of the total volume.

본 논문에서는 균열 진전문제에 대하여 페리다이나믹스 이론을 이용하여 설계민감도 해석 및 구조 최적설계를 수행하였다. 페리다이나믹스는 해의 불연속성을 다루기 어려웠던 기존의 연속체 이론에 비해 균열 진전문제와 같은 불연속성을 가지는 문제를 자연스럽게 표현할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 최적설계를 진행하기 위하여 애조인 변수법으로 설계민감도를 유도하였다. 특히 균열이 진전되더라도 애조인 변수법으로 계산된 변위장과 변형에너지에 대한 설계민감도 값은 유한차분법과 비교하여 매우 정확하고 효율적임을 보였다. 이를 바탕으로 간단한 인장응력 하의 균열진전 문제에 대하여 균열의 분기가 발생하는 위치를 조절하기 위하여 정해진 시간구간에서 변형에너지 값을 줄이는 방향으로 최적설계를 수행하였다. 최적의 재료분포로 해석을 수행한 결과 균열의 분기점을 늦출수 있음을 확인하였다.

현실세계의 구조물은 대부분 동하중의 영향을 받고 있지만, 구조해석이나 구조 최적화를 수행할 때는 정하중이 작용하는 것으로 가정한다. 실제 하중인 동하중을 고려하게 되면 다양한 하중들을 고려해야 하기 때문에 전산자원과 시간비용 측면에서 많은 제약이 따르기 때문이다. 그러나, 단순한 정하중 조건만을 고려하면 구조안전성 측면에서 바람직하지 못하기 때문에 가중치를 적용하거나 동하중을 대체하는 등가정하중을 적용하여 관련 문제를 보완하려는 연구가 진행되어 왔다. 본 연구에서는 등가정하중을 적용하여 동하중을 받고 있는 구조물에 대한 구조최적화 기법을 제안한다. 본 연구에서 적용하는 등가정하중은 기존 연구에서 제안한 바 있는 주자유도를 기반으로 하여 등가정하중 부과 위치를 결정하고 최적화 과정을 통해 산출한다. 이 과정에서 지나치게 큰 하중이 구해지지 않도록 가중치를 고려한 구속조건을 추가하여 기존 연구의 등가정하중의 최적화 과정을 보완하였다. 수치예제에서는 동하중이 작용하는 트러스 구조물과 평판 구조물에서 최적화된 등가정하중을 적용하여 사이즈 최적화를 수행함으로써 제안된 최적화 기법의 신뢰성을 검증한다.

최근 컴퓨터 기술의 발달로 인해 복잡한 형태를 가지는 기념비적인 건축물이 설계, 시공됨에 따라 비정형건축에 관한 사회적인 관심이 해외뿐만 아니라 국내에서도 증가하고 있다. 하지만 비정형 구조시스템의 구현하기 위한 기술 및 연구에 대한 사례가 부족하여 많은 어려움이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 연구에서는 3D모델링 프로그램과 최적설계를 수행하는 프로그램간의 인터페이스 모듈에 대한 연구를 수행하였다. 3D 모델링 프로그램에서 자동 메쉬를 생성하고, 모델링에 대한 정보를 바로 추출하여 최적화를 수행하였다. 결과적으로 개발된 인터페이스 모듈의 검증을 위해 예제 모델을 선정하여 형상최적화을 수행하였다.

이 논문은 지오데식 돔 구조물의 구조최적화에 대한 연구내용과 관련이론 그리고 수치해석결과를 기술하고 있다. 지오데식 돔의 공간 효율성을 알아보기 위해 돔의 기저인 정이십면체의 외피면적과 내부공간의 비율을 계산하고 건축구조물에서 나타나는 다른 입방체의 값과 정량적으로 비교하였다. 지오데식 돔을 형성하기 위한 절차를 세부적으로 정리하고 이를 프로그래밍하여 설계최적화프로그램 ISADO-OPT에 연동하였다. 본 연구에서는 반구 형태의 지오데식 돔이 집중하중에 효율적으로 저항할 수 있는 최적의 부재크기 패턴을 조사하기 위하여 수학적 프로그래밍 기법을 도입하였다. 이때 최소화해야하는 돔 전체 부재의 중량을 목적함수로 이용하고 하중이 가해지는 절점에서 발생하는 변위 값과 각 부재에서 발생하는 응력 값을 허용치 이하로 제한하는 제약조건으로 사용하였다. 목적함수와 주어진 제약조건을 만족하는 최적 설계변수값을 검색하기 위해 설계변수에 대한 목적함수의 민감도 값을 유한차분법을 이용하여 계산하였다. 본 연구에서 기술한 지오데식돔을 위한 설계최적화 기본이론을 바탕으로 도출한 최적 부재패턴은 향후 돔의 최적설계에 기본 벤치마크테스트결과로 유용하게 사용될 것으로 판단된다.

본 연구에서는 방향벡터(direction vector)를 이용한 지역 탐색법과 유전자 알고리즘을 결합한 새로운 알고리즘인 D-GA를 제안한다. 새로운 개체(individual)를 찾기 위한 방향벡터로는 진화과정 중에 습득되는 정보를 활용하기 위한 학습방향벡터(Loaming direction vector)와 진화와는 무관하게 한 개체의 주변을 탐색하는 랜덤방향벡터(random direction vector) 등 두 가지를 구성하였다. 그리고, 10 부재 트러스 설계 문제에 단순 유전자 알고리즘과 D-GA를 적용하여 최적화를 수행하였고, 그 결과를 비교 검토함으로써 단순 GA에 비하여 D-GA의 정확성 및 효율성이 향상되었음을 확인하였다.

Copper infiltration is demonstrated as a viable solution to achieve higher mechanical properties by filling the interconnected porosities of a ferrous structure with copper infiltrant. This paper will present the results of a design of experiments study based on the selected processing variables in the copper infiltration process. The variables are the following: Infiltrating temperatures, infiltrating time at pre-heat zone and hot zone, the green density of iron part, the migration of copper into the iron part at different processing conditions. The results show the flexibility of the infiltration process to attain certain mechanical properties by changing the processing conditions.

위상 최적화 문제는 다양한 밀도 분포를 가지는 설계영역에서 목적함수와 요소단위의 설계 민감도의 반복적인 계산을 요구한다. 최근 제안된 2단계 축소기법은 축소 시스템을 구축하는데 매우 효과적이며 고유치 문제와 동적 문제의 해석에 정확도와 효율성을 동시에 제공한다. 본 논문에서는 구조 위상 최적화 문제에서 해석 부분과 민감도 계산 부분에 2단계 동적 축소기법을 사용한다. 축소시스템에 대한 위상 최적화 결과는 축소되지 않은 전체 시스템에 대한 최적화 결과와 비교하여도 공학적으로 요구되는 정확도 범위 내에서 2단계 축소기법이 높은 정확도와 계산 효율을 보장하는 것을 보여준다.

모사풀림(SA)의 특징적인 Metropolis 규준을 단순 유전자 알고리즘(SGA)의 재생산 연산과정에 도입함으로써 Metropolis 유전자 알고리즘(MGA)이 개발되고, 구조 설계 최적화에 응용되었다. 이러한 결합을 통하여 MGA는 개체의 다양성을 유지하며, 초기 세대에서 나타날 수 있는 유용한 유전자 정보가 보존될 수 있다. 따라서 이 연구에서 제안된 MGA는, 국부적 최적해로 조기 수렴하게 되는 SGA의 단점과 정밀한 전역적 최적해를 찾기 위해 수없이 많은 계산을 해야 하는 SA의 단점을 극복하게 되었다 수치예를 통하여 MGA의 성능과 적용성을 재래의 알고리즘들과 비교하고 평가하였다. 특히 MGA의 성능 신뢰성과 강건성을 평가하는 데는 집단 크기와 최대 반복세대수의 효과를 인용하였다. 이론적 고찰과 수치예의 결과로부터, 이 연구에서 개발된 MGA가 효율성과 신뢰성을 갖춘 구조 설계 최적화의 도구로서 평가되었다.

최근 구조최적화분야에서 활발하게 사용되고 있는 유전알고리즘은 해집단을 운용하기 때문에, 많은 반복수와 적응도 평가를 위하여 해집단의 수에 해당하는 구조해석을 필요로 하며, 또한 교배율과 돌연변이율 등의 파라미터에 따라 알고리즘의 성능이 변화하므로 문제에, 따라 적합한 파라미터 설정이 필요한 근본적인 단점을 지니고 있다. 본 연구에서는 기존 유전알고리즘의 단점을 극복할 수 있는 복합유전알고리즘을 마이크로유전알고리즘과 단순유전알고리즘을 결합한 형식으로 그리고, 최적화에 요구되는 연산을 다수의 개인용 컴퓨터에서 동시에 분산하여 수행할 수 있는 고성능 분산 복합유전알고리즘으로 개발하였다. 개발된 알고리즘은 철골 가새골조 구조물의 최소중량설계에 적용하여 그 성능을 평가하였다.

The purpose of this study is to improve convergence speed of topology optimization procedure using the existing ESO method and to deal with topology decision of the truss structures according to a boundary condition, such as cantilever type. At the existing ESO topology optimization procedure for the truss structures, the adjustment of member sizes according to target stress has been executed by increasing or reducing a very small value from each member size. In this case, it takes too much iteration till convergence. Accordingly, it is practically hard to obtain optimum topology for a large scale structures. For that reason, it is necessary to improve convergence speed of ESO method more effectively. During the topology decision procedure, member sizes are adjusted by calculating approximate solution for member sizes corresponding to the target stress at every step, the new member sizes are adjusted by such method are applied in FEA procedure of next step.

형상 최적설계 중에 발생하는 절점의 과도한 이동은 요소망을 왜곡하고, 결국 최적해의 저하를 유발한다. 이러한 문제를 개선한 형상 최적설계 기법을 개발하였다. 이 방법은 구조물의 형상이 변해 갈 수 있는 충분한 공간의 설계 영역을 정하여, 균일하고 세밀한 요소망을 미리 생성한다. 각각의 최적화 단계마다 모든 요소들과 구조물의 위치 관계를 검사하여, 내부의 요소에는 실제의 물성치를 부여하고, 외부에 존재하는 요소는 0에 가까운 물성치를 부여한다. 변위와 고유 진동수의 제한조건을 가진 두 개의 예제를 통해 이 방법의 특징을 살펴보았다.