In engineering problems, many random variables have correlation, and the correlation of input random variables has a great influence on reliability analysis results of the mechanical systems. However, correlated variables are often treated as independent variables or modeled by specific parametric joint distributions due to difficulty in modeling joint distributions. Especially, when there are insufficient correlated data, it becomes more difficult to correctly model the joint distribution. In this study, multivariate kernel density estimation with bounded data is proposed to estimate various types of joint distributions with highly nonlinearity. Since it combines given data with bounded data, which are generated from confidence intervals of uniform distribution parameters for given data, it is less sensitive to data quality and number of data. Thus, it yields conservative statistical modeling and reliability analysis results, and its performance is verified through statistical simulation and engineering examples.

기존의 한방향 펌프는 순환과 배수를 위해 각각의 모터를 사용하지만, 양방향 펌프는 하나의 모터로 모터의 회전 방향에 따라 배수와 순환이 모두 가능하므로 원가절감이 가능하다. 하지만 양방향 펌프는 배수와 순환 시 펌프 케이싱 내부에서 역류와 흡입이 발생하여 유입된 물이 각각 배출구와 순환구로 원활하게 유출되지 못하는 단점이 있다. 본 연구에서는 주효과 분석을 통해 배출과 순환 시 유출되는 유량과 토크에 주요한 영향을 미치는 인자를 설계변수로 선택하여 실험계획법, 근사 모델, 그리고 최적설계를 통해 펌프 케이싱 형상을 최적화함으로써 역류와 흡입은 개선하고 펌프의 토크 대비 배출구와 순환구의 유량을 증가시키는 효과를 거두었다.

According to the structure, solenoid valve can be categorized as spool valve or poppet valve. While various research on spool valve which has simple structure and fine susceptibility to contamination has been conducted, poppet valve which has less susceptibility to contamination and advantage in a long time operation still need much research because of its complicated structure. In order to design the poppet valve, various parameters such as the diameter of the poppet, the angle of the poppet, the diameter of the disk, the spring stiffness, the spring preload and flow path structure should be considered. Conventional studies on poppet valve usually take only one design parameters and did not much focused on the effect of the parameters on flow characteristics. In this paper, the change of the flow characteristics according to the design parameters of the poppet valve for 3/2Way solenoid valve is analyzed. The previous studies and the results of initial model analysis was referred for the selection of the design parameters. The effects of design parameters on maximum pressure, minimum pressure, and pressure drop was examined using analysis of means(ANOM).

신뢰성 해석 및 신뢰성기반 최적설계는 불확실성을 고려한 확률변수를 입력 값으로 요구하며, 확률변수는 모수적․비모수 적 통계모델링 방법을 사용하여 확률분포함수의 형태로 정량화 된다. 신뢰성 해석과 같은 통계적 해석은 입력되는 확률분포 함수의 특성이 결과값에 영향을 미치게 되며, 확률분포함수는 통계모델링 방법에 따라 다른 형태를 가지게 된다. 본 연구에 서는 모수적 통계모델링 방법인 순차적 통계모델링 방법과 비모수적 방법인 커널밀도추정을 사용하여 데이터의 개수에 따 른 통계모델링의 결과를 분석하였다. 또한 수치예제를 통해 두 가지 기법에 따른 신뢰성 해석의 결과를 분석하였고, 데이터 의 개수에 따른 적절한 기법을 제안하였다.

입자 복합재료는 입자의 형상, 크기 그리고 분포의 산포특성으로 인해 물성치의 편차가 존재하고, 입자 복합재료를 사용 한 시스템의 거동 또한 산포가 존재한다. 하지만 입자의 산포특성을 고려하기 어려우므로 균질화법을 사용하여 시스템의 거 동을 해석하거나 국부영역에서 미세구조를 적용하여 해석한다. 본 연구에서는 입자의 랜덤적 산포특성을 고려하기 위해 RMDFs(random morphology description functions)를 사용하여 랜덤 미세구조를 생성하였고, 단면 1차 모멘트를 사용하여 가우시안 함수의 수(N)와 입자의 산포특성의 관계를 분석하였다. 그리고 랜덤 미세구조 구조물의 거동을 분석하기 위하여 랜덤 미세구조를 전체에 반영한 외팔보에 multi-scale 해석을 수행하였다. 그 결과 입자의 산포특성과 외팔보의 처짐의 편차 는 N의 증가에 따라 감소하고 N=200에서 수렴하는 것을 확인하였다.

5MW급 풍력발전용 기어박스의 효율적인 구조해석과 근사모델을 생성하여 경량화를 위한 형상 최적설계를 수행하였다. 풍력발전용 기어박스의 구조는 기어 트레인, 축, 베어링, 하우징과 같이 복잡한 구성요소로 이루어져 있어 구조해석에 많은 요소 수를 요구하고 있다. 본 연구에서는 헬리컬 기어의 치강성 계수를 고려한 효과적인 기어박스의 구조해석 모델을 생성 하였다. 치강성 계수를 사용한 유성 기어열은 상대적으로 적은 요소 수와 해석시간으로도 전체 기어박스 시스템의 구조해 석과 형상 최적화를 가능케 한다. 치강성을 이용한 단순화된 해석모델과 근사모델을 적용하여 하우징 무게에 영향이 큰 부 위의 두께를 설계변수로 설정하여 케이스 최적설계안을 도출하였으며, 최적설계를 위해 사용된 근사모델의 신뢰성과 최적 기어박스 하우징 형상의 수치해석을 통해 타당성을 검증하였다.

확정론적 최적설계에서는 설계변수의 변동이나 불확실성 등을 최적화 과정에서 고려하지 않는다. 신뢰성 최적설계는 설계변수의 임의성을 체계적인 확률 및 통계이론을 적용하여 생산품의 안정성을 보다 정밀하고 합리적으로 다룬다. 본 논문에서 설계변수를 확률변수로 취급하여 실제 제작시의 제작오차를 고려한 표준편차를 주었으며, 설계변수의 평균에 대한 표준편차를 기존의 고정된 값을 사용하지 앉고 평균과 표준편차의 관계가 오목함수로 나타나도록 하였다 즉, 설계변수의 평균이 달라짐에 따라 표준편차도 변동계수만큼 변하도록 하였다. 신뢰성해석은 불변 2차 모멘트 방법을 이용하고 신뢰성을 구하는 방법은 신뢰도 지수 접근방법의 개선된 일계 2차 모멘트 방법을 이용하여 신뢰성을 구하였다. 두 가지 예제를 통해 확정론적 최적설계, 신뢰성 최적설계와 표준편차의 변동을 고려한 신뢰성 최적설계의 값을 비교하였다.

대형 구조물에 대한 최적설계를 고려할 때 구조해석에 많은 시간과 노력이 소비된다. 한대의 개인용 컴퓨터에 의한 대형 구조물의 구조해석은 대용량의 기억장치와 많은 계산시간이 요구되므로 반복적 해석이 필요한 대형 구조물의 설계에 효율적으로 이용되기 어렵다. 따라서 본 논문에서는 이러한 문제의 대안으로 인터넷이 연결된 다수의 개인용 컴퓨터들로 고성능 병렬연산시스템을 구성하여 구조해석을 분산 처리하여 계산시간을 절감하였다. 아울러 반응표면의 근사를 위해 요구되는 구조해석을 상용 구조해석 어플리케이션으로 해결할 수 있다면 상용성이 확보되어 일반 구조물에 대하여도 반응표면법을 이용한 최적설계를 수행할 수 있을 것이다.

위상 최적화 기술은 제품의 초기단계의 개념설계에 유용한 기술이며, 주로 구조물의 탄성을 고려한 분야를 중심으로 개발되었다. 그러나 일반적인 기계의 정밀도가 향상됨에 따라 열적인 영향을 함께 고려할 경우가 많아지게 되어, 열과 탄성계를 동시에 고려하는 위상 최적설계가 필요하다. 본 연구에서 균질화법을 이용하여 열-탄성계를 고려한 위상 최적설계를 해석하였다. 열-탄성 문제에서는 열전달 해석과 구조해석을 고려하는 문제이므로 열전달 재료 물성치와 구조 재료 물성치를 함께 사용하였다. 가동에너지를 기계적인 변위 또는 응력으로 변환하는 트랜스듀서인 액츄에이터의 설계에 적용하였으며, 열계와 탄성계 그리고 열-탄성계를 동시에 해석한 설계 결과를 얻었다. 얻어진 각각의 결과를 동일한 하중조건으로 재해석한 결과, 열-탄성계를 고려하였을 경우가 각각의 계를 고려했을 경우보다 개선된 성능을 가진다.

가스터빈에서 연료 분무 노즐은 연소 특성에 영향을 미치는 중요한 부품이다. 스월 분무 장치를 설계하기 위하여 유량과 분무액적 평균 직경을 설계변수로 정하고 연료 분무 노즐의 최적화를 수행하였다. 설계변수는 이중 노즐의 실험값들을 비교하여 중요한 영향을 미치는 변수로 선정하였다. 민감도는 유량과 분무액적 평균 직경의 변화에 따른 값을 사용하였다. 이중 오리피스형 스월 분무장치의 형상 최적설계를 통하여 유량의 미립화를 높이도록 연구하였다. 최적설계를 위하여 실험 계획법을 이용하였으며, 영향을 적게 미치는 설계변수들은 설계대상에서 제외하였다. 분무 노즐의 분무액적 평균 직경을 사용한 결과는 Jasuja의 액적 평균 이론을 이용하여 도출된 결과와 유사함을 알 수 있었다. 연구 결과는 이중 오리피스형스월 분무장치와 이와 비슷한 종류의 노즐 최적화를 위한 특성을 파악하고 최적의 유량과 허용 공차를 제시하였다.

박판 구조물은 자동차를 비롯하여 항공기, 인공위성, 선박 등의 운송 수단과 건축물의 돔과 같이 효율적으로 활용되어지고 있으며 동시에 경량화를 필요로 하는 경우 널리 사용되는 구조물이다. 엔진, 변속기 등의 회전체의 부품을 보호하는 박판 구조물인 자동차 후드에서의 새로운 보강재 형상을 제시하였다. 자동차 후드는 엔진 룸에 장착되어 있는 회전체의 진동 영향을 민감하게 받아 공진현상이 발생할 우려가 있다. 따라서 설계하중을 지지할 강성을 가지며 동적 특성이 고려되어야 한다. 즉, 강성을 유지하면서 공진에 의한 진동도 고려해야 한다. 이는 곧 승차감과 직결된 중요한 문제이다. 그러므로 최적의 강성증대 설계결과를 얻기 위해서는 정적 동적 강성평가와 함께 고유진동수를 고려한 보강재의 최적설계가 도입되어야 한다. 본 연구에서는 고유진동수를 고려한 대표적인 박판 구조물인 자동차 후드의 보강재 위상을 구하고, 도출된 위상에서 보강재의 형상 최적 설계 후 제시된 보강재 단면의 최적 치수를 다구찌 방법을 이용한 직교 배열표상에서의 각 설계변수의 수준과 최적의 설계변수의 조건으로 구하였다.

자동반송 시스템인 천장용 호이스트 이송장치는 천장을 반송공간으로 반도체 웨이퍼를 운반하는 장치이며, 분진이나 소음 및 진동에 대단히 민감하다. 구동부와 레일의 접촉에 의해서 발생되는 마찰, 분진 소음 등의 문제를 최소화시키고 구동부와 이재부의 자중에 따른 구조물 자체의 안정성 검토를 수행하기 위해서 레일의 구조해석 및 최적설계가 필요하다. 본 연구에서는 구동부의 자중에 의한 레일의 기울기를 관심영역으로 설정하고, 변위 및 기울기를 최소화시키기 위해서 위상최적화, 근사 최적화 기법을 도입하여 최적화를 수행하였다. 구조해석은 ANSYS를 이용하였고, 3D 모델링은 Pro/Engineer를 이용하였다. 최적화 알고리즘은 수렴성이 높은 순차 이차 계획법인 PLBA(Pshenichny-Lim-Belegundu-Arora) 알고리즘을 사용하였다.

기계부품의 설계는 초기 설계, 해석, 성능 평가의 반복 과정을 통하여 수행된다. 설계자는 각 과정에서 특성에 맞는 프로그램을 사용하고 있다. 본 연구에서는 순차 설계 영역을 이용한 형상최적화를 수행하였다. 순차 설계영역의 근사함수를 구하기 위하여 Pro/Engineer 와 ANSYS 실행의 자동화를 수행하였다. 전체 설계영역을 근사식으로 표현하기에는 어려움이 있다. 정확도가 높은 근사식을 만들기 위하여 순차설계영역을 설정하여 각 단계에서 수렴한 해로 이동량을 결정하고, 두 번 연속하여 순차설계 영역에 존재하면 수렴조건을 만족하는 것으로 하였다. 각 단계의 해는 순차이차 계획법인 PLBA(Pshenichny-Lim-Belegundu Arora)알고리즘을 이용하여 구하였다.

본 연구에서는 순차 설계영역 (SDD： sequential Design Domain) 개념을 사용한 GUI(Graphic User Interface)환경 프로그램을 개발하였다. 본 프로그램은 상용프로그램인 ANSYS와 최적설계 프로그램인 PLBA(Pshenichny-Lim-Belegundu-Arora)를 연결하고 비주얼 베이직을 이용하여 GUI환경에서 사용자가 초기값과 입력파일을 작성하고 결과를 확인할 수 있도록 하였다. 프로그램의 신뢰도를 검증하기 위해서 3부재 및 5부재 트러스 구조물을 수치예제로 선정하여 해석하였다.

승용차의 휠은 타이어와 차체 무게를 지지하며, 회전력과 정지력을 노면으로 전달한다. 휠의 경량화는 차량의 연료효율에 효과적이므로, 스틸휠이 무게를 최소화하도록 디스크 홀이 형상을 최적화 하였다. 설계모델은 Pro/ENGINEER를 사용하여 설정하고, 설계모델의 해석은 ANSYS를 이용하였다. 범용 소프트웨어간의 직접적인 자료의 전달이 어려우므로 두 프로그램을 병합 사용하기 위해, 반응표면법을 이용한 근사함수를 구하였다. 5수준의 요인배치법의 실험값을 사용하여 최대응력과 최대 변위를 추출하였다. 초기 모델은 14인치 승용차용 스틸휠을 사용하였고, 디스크 홀의 폭을 설계변수로 선택하였다. 순차이차계획법과 활성화제약조건을 사용하는 PLBA(Pahenichny-Lim-Belegundu-Arora) 알고르즘을 이용하여 최적해를 구하였다.

위상최적설계는 개념설계에 적합하며, 제품의 설계에서 사용되어지고 있다. 전통적인 위상최적화는 균질화법과 최적조건법을 사용해 왔다. 균질화법은 구멍으로 구성된 구조물과 강성행렬사이의 관계를 연결해주는데 사용되며, 최적조건법은 부피분율을 유지하며 설계변수의 개선에 사용되어진다. 전통적인 위상최적설계는 수렴성이 좋은 장점은 있지만 수렴시간이 많이 걸린다는 단점이 있었다. 이 문제를 해결하는 하나의 방법으로 평균 응력량을 기준으로 요소를 제거하는 요소제거법을 제시하였다. 예제에서 수렴속도가 향상됨을 알 수 있었다.

유전자 알고리즘은 적자 생존과 자연친화의 유전이론을 기초로 하여 이루어진 탐색기법이다. 유전자 알고리즘은 미분 정보 등과 같은 부가적인 정보없이 수렴함으로 전역적 최적값을 탐색하는 강인한 탐색기법으로 알려져 있다. 유전자 알고리즘은 연속형의 설계변수를 가지는 문제에서 세대가 계속 진행되어도 목적함수의 개선이 없이 조기에 수렴하는 경우가 있다. 또한 전역적 최적값 근처에서 수렴하지 못하고 목적함수값이 진동하여 수렴속도가 떨어지는 단점이 있다. 본 연구에서는 위와 같은 유전자 알고리즘의 단점을 보완하고자 재시동 조건과 엘리트 보존방법을 제안하였다. 수정된 유전자 알고리즘의 유용성을 검증하기 위해 3부재 트러스와 평면응력 외팔보에 적용하여 수렴 속도의 향상을 확인하였다.

저널과의 마찰과 마멸을 줄이기 위하여 저널베어링이 사용된다. 저널베어링은 유체 윤활 상대에서 사용되나, 압력이 지나치게 높거나 회전 속도가 작아지면 탄성 유체 윤활 상태의 유막이 파괴되어 접촉부의 돌기가 접촉되는 경계 윤활 상태가 된다. 따라서 혼합 윤활 상태가 되면 저널베어링의 마멸량이 증가하게 된다 본 논문은 마멸율을 최소화함으로 저널베어링의 수명을 연장하는 최적설계를 수행하였다 목적 함수로 혼합 윤활 영역에서 적용되는 마멸을 함수를 사용하였고, 저널베어링 설계에서 고려할 성능 인자들인 마찰 손실, 안정 한계 속도, 유막 파라미터 등을 제약 함수로 사용하였다. 저널베어링 형상을 나타내는 베어링 반경, 축 반경, 베어링 폭 등에서 본 연구는 베어링 반경을 설계 변수로 하였다. 정식화한 설계인자를 이용하여 저널베어링의 최적 설계를 순차 이차 계획법인 PLBA알고리즘을 사용하여 수행하였다.

상용 구조해석 프로그램을 이용한 구조물의 최적설계에서는 최적화 프로그램과 구조해석 프로그램의 연결 및 두 프로그램 사이의 데이터 교환이 용이하지 못하다. 최근 많은 구조물 설계자들은 근사 최적화 기법을 이용하여 이와 같은 문제들을 해결하고 있다. 일반적으로 최적실계 문제의 설계변수에 대한 설계영역은 아주 작은 값에서 아주 큰 값으로 범위가 정해진다. 이렇게 넓은 설계영역에서 생성된 시스템 응답 근사식의 정확도는 떨어지게 되며, 이는 근사 최적해에 지배적인 영향을 미친다. 따라서, 본 연구의 목적은 넓은 설계영역에서 정확도가 높은 근사식 생성을 위한 순차 설계영역법 개발에 있다. 순차 설계영역에서의 근사식은 반응표면법을 이용하여 구성하고, 반응표면법에 필요한 실험방법으로는 직교 배열표를 사용한다. 본 연구에서는 순차 설계영역법의 신뢰도 검증을 위하여 3부재 및 10부재 트러스 구조물을 수치예제로 선정한다.

차량 충돌시 자동차의 시트는 승객 및 운전자를 보호해야 한다. 따라서 자동차시트는 충분한 강도를 가져야 하며 이것은 여러 가지 법규에 의해서 제재되고 있다. 물리적 실험 결과가 법규에 정한 규정치를 만족시키기 위해 과대설계 될 수 있다. 그러나 이것은 연비를 줄이기 위한 경량화의 만족이라는 설계요구에 상충한다. 본 논문에서는 헤드레스트 강도시험을 시뮬레이션하고 과대 설계되어 있다고 판단되는 어퍼암을 최적화 모델로 최적설계를 수행하였다. 순차 이차 계획법인 PLBA 알고리즘과 민감도 해석을 위하여 직접근사해석법을 사용하였다.