평면 아치 구조물에 대해 선형 탄성 변분방정식에 기반을 둔 설계민감도 해석을 위한 일반적 이론을 개발하였다. 아치 구조물내의 임의 마디에 정의된 응력범함수를 고려하였고 이에 대한 설계민감도 공식을 유도하기 위해 전미분(material derivative) 개념과 보조(adjoint) 변수 방법을 도입하였다. 얻어진 민감도 공식은 구조해석 결과를 얻고 나면 이들로부터 단순 대수연산을 통해 계산이 되므로 적용이 간편할 뿐 아니라 해의 정확도가 높은 잇점이 있다. 본 방법은 아치의 형상을 매개변수를 통해 표현하므로 얕은 아치에 국한하지 않고 어떠한 형상도 고려가 가능하며, 나아가서 아치의 형상변화를 형상에 대해 수직뿐 아니라 접선방향도 포함하여 일반적으로 고려하므로 다양한 형상설계가 가능하다. 몇 가지 예제에서 민감도 계산을 수행함으로써 본 방법의 정확도와 효율성을 입증하였으며, 두 가지의 설계최적화 문제를 대상으로 실제로 두께 및 형상최적설계를 수행하였다.

A general formulation for design sensitivity analysis over a plane arch structure is developed based on a variational formulation of curved beam in linear elasticity. Sensitivity formula is derived using the material derivative concept and adjoint variable method for the stress defined at a local segment. Obtained sensitivity expression, which can be computed by simple algebraic manipulation of the solution variables, is well suited for numerical implementation since it does not involve numerical differentiation. Due to the complete description for the shape and its variation of the arch, the formulation can manage more complex design problems with ease and gives better optimum design than before. Several examples are taken to show the advantage of the method, in which the accuracy of the sensitivity is evaluated. Thickness as well as shape optimization is also conducted with two design problems to illustrate the excellent applicability.

• 최주호(한국항공대학교 항공우주 및 기계공학부) | Choi, Joo-Ho