공항은 다른 어떤 기반시설보다 복잡하고 사고시 매우 치명적이기 때문에 공항 계획/설계시 운영적인 측면을 고려한 면밀한 검토가 필요하다. 공항 건설이후 실제 항공기가 어떻게 운영되는지 시뮬레이션하고 문제점을 사전에 예측함으로써 항공기 운항 안전성을 확보할 수 있기 때문이다. 최근 도로/공항의 경우 디지털 트윈 기반의 시뮬레이션 프로그램으로 설계, 분석하는 사례가 많다. 이러한 기조에 맞춰 공항에서도 시뮬레이션 프로그램인 AviPLAN을 활용하여 에어사이드 배치 설계를 수행하고 있으며, 인천국제공항공사와 한국공항공사에서도 활용하고 있다. 본 연구에서는 기존 국내외 공항에 AviPLAN 프로그램을 활용하여 최적화 설계를 수행하였고 산출된 포장물량 절감사례를 바탕으로 에어사이드 시설 배치가 얼마나 중요한지 확인하고자 하였다.

The design variables and material properties as well as the external loads concerned with structural engineering are used to be deterministic in optimization process. These values, however, have variability from expected performance. Therefore, deterministic optimum designs that are obtained without taking these uncertainty into account could lead to unreliable designs, which necessitates the Reliability-Based Design Optimization(RBDO). RBDO involves an evaluation of probabilistic constraints which constitutes another optimization procedure. So, an expensive computational cost is required. Therefore, how to decrease the computational cost has been an important challenge in the RBDO research field. Approximation models, response surface model and Kriging model, are employed to improve an efficiency of the RBDO.

본 논문에서는 신뢰성 기반 최적설계(RBDO)에서 성능함수의 비선형성을 고려한 효율적인 차원감소법(DRM)을 제안한다. 차원감 소법은 적분직교점과 가중치를 사용하여 1차 신뢰도법(FORM) 보다 더 정확하게 신뢰도를 평가하는 반면 성능함수를 추가로 해석해 야하기 때문에 적분직교점의 개수가 증가하면 효율성이 저해된다. 본 논문에서는 신뢰성 기반 최적설계에서 성능함수의 비선형도를 평가하고, 비선형도에 따라 적분직교점의 수를 결정하는 기준을 제안한다. 이를 통해 신뢰성 기반 최적설계가 진행될 때 반복마다 적 분직교점의 수를 조절하여 차원감소법의 정확도는 유지하면서 계산의 효율성은 개선하는 방안을 제안한다. 성능함수의 비선형도 평 가는 최대가능목표점(MPTP) 탐색에 사용한 벡터 사이의 각도를 통해 이루어지며, 수치 테스트를 통해 비선형도에 따른 적절한 적분 직교점의 수를 도출하였다. 2차원 수치예제를 통해 개발된 방법이 차원감소법이나 몬테카를로 시뮬레이션(MCS)의 정확도는 유지하 면서 효율성이 향상된다는 것을 확인하였다.

본 논문에서는 다이나믹크리깅 대리모델 기반 자동차 브레이크 패드 마모량 측정센서 브라켓의 설계최적화를 소개한다. 브레이크 작동시 마찰재 바닥의 온도가 600°C 이상으로 상승하고, 이 열이 전달되어 센서의 기능을 상실시킨다. 따라서 열전달을 최소화하는 브라켓 형상의 설계최적화는 필수적이다. 최적화에 소요되는 계산비용을 절감하기 위해 다이나믹크리깅 대리모델로 열전달 시뮬레 이션을 대체하였다. 다이나믹크리깅은 최적의 상관함수와 기저함수를 선정하였으며, 정확한 대리모델을 도출하였다. 최적화 결과 센 서위치의 온도가 초기모델에 비해 7.57% 감소하였으며, 이를 열전달 시뮬레이션으로 다시 한번 확인하여 대리모델 기반 최적설계가 유의미함을 검증하였다.

Taguchi method is one of the most popular approaches for design optimization such that performance characteristics become robust to uncontrollable noise variables. However, most previous Taguchi method applications have addressed a single-characteristic problem. Problems with multiple characteristics are more common in practice. The multi-criteria decision making(MCDM) problem is to select the optimal one among multiple alternatives by integrating a number of criteria that may conflict with each other. Representative MCDM methods include TOPSIS(Technique for Order of Preference by Similarity to Ideal Solution), GRA(Grey Relational Analysis), PCA(Principal Component Analysis), fuzzy logic system, and so on. Therefore, numerous approaches have been conducted to deal with the multi-characteristic design problem by combining original Taguchi method and MCDM methods. In the MCDM problem, multiple criteria generally have different measurement units, which means that there may be a large difference in the physical value of the criteria and ultimately makes it difficult to integrate the measurements for the criteria. Therefore, the normalization technique is usually utilized to convert different units of criteria into one identical unit. There are four normalization techniques commonly used in MCDM problems, including vector normalization, linear scale transformation( max-min, max, or sum). However, the normalization techniques have several shortcomings and do not adequately incorporate the practical matters. For example, if certain alternative has maximum value of data for certain criterion, this alternative is considered as the solution in original process. However, if the maximum value of data does not satisfy the required degree of fulfillment of designer or customer, the alternative may not be considered as the solution. To solve this problem, this paper employs the desirability function that has been proposed in our previous research. The desirability function uses upper limit and lower limit in normalization process. The threshold points for establishing upper or lower limits let us know what degree of fulfillment of designer or customer is. This paper proposes a new design optimization technique for multi-characteristic design problem by integrating the Taguchi method and our desirability functions. Finally, the proposed technique is able to obtain the optimal solution that is robust to multi-characteristic performances.

본 논문에서는 AI 기반 설계 탐색 기법을 활용하여 선박의 주요 치수 최적화를 수행하였다. 설계 탐색 기법은 최적화 프로그램 HEEDS의 SHERPA 알고리즘을 사용하였다. 유동 해석은 상용 CFD 코드인 STAR-CCM+를 사용하였고, 주요 치수 변환은 전처리 과정에서 JAVA Script와 Python을 사용하여 선박의 치수가 자동으로 변환되도록 설정하였다. 대상 선박은 소형 쌍동선형으로 주요 치수 최적화는 한쪽 선형의 길이, 폭, 흘수 그리고 단동선형 간의 간격에 대하여 수행되었다. 최적화 알고리즘에 사용된 목적함수는 총저항이며, 내부 의 장 시스템의 크기 등을 고려한 배수 체적의 범위를 제한조건으로 선정하였다. 그 결과 최적 선형의 주요 치수는 기존 선형 대비 ±5% 내 에서 변화가 있었고 총저항은 약 11% 개선된 결과를 보였다. 본 연구를 통해 선박의 형상을 직접 변경하지 않더라도 주요 치수 최적화를 통해 선박의 저항 성능이 향상됨을 확인하였고, 다양한 선박의 주요 치수 최적화를 통한 성능 향상에 활용이 될 것으로 기대한다.

본 논문에서는 역전파 방법 기반 자동미분법을 이용하여 설계민감도를 구하고 이를 응력제한조건을 고려한 위상최적설계에 적용 하였다. 응력제한조건이 있는 위상최적화문제는 특이점(singularity)과 응력의 국부성(local nature of stress constraint)문제, 그리고 설 계 변수에 대한 비선형성의 문제를 포함하고 최적해를 얻기가 매우 힘들다. 특이점 문제를 해결하기 위해서 응력 완화(stress relaxation) 기법을 사용하였고, 응력의 국부성을 해결하기 위해 p-norm을 이용한 전역 응력치를 제한조건에 사용하였다. 설계 변수에 대한 비선 형성을 극복하기 위해 해석적인 방법으로 정확한 설계민감도를 구하는 것이 중요하다. 위상최적설계에서 기존에는 보조변수방법 (adjoint variable method)을 사용하여 빠르고 정확한 설계민감도를 구했지만, 설계민감도를 해석적으로 구해야 하고, 보조평형방정식 을 추가로 풀어야 하는 어려움이 있다. 이를 해결하기 위해서 인공신경망에서 최적 가중치(weights)와 편차(biases)를 구할 때 쓰이는 역전파 기법을 이용하여 설계민감도를 구하고 이를 응력제한조건을 고려한 위상최적설계에 적용하였다. 역전파 기법은 자동미분에 쓰이는 기법으로 목적함수나 제한조건에 대한 설계민감도를 별도의 수식유도 없이 간단하게 구할 수 있는 장점이 있다. 또한, 미분값 을 구하는 역전파의 과정이 보조평형방정식을 푸는 것보다 계산시간이 빠르고 해석적 방법으로 구한 설계민감도와 같은 정확도를 보 여준다

본 논문에서는 3차원 엮임 재료의 유체투과율 향상을 목적으로 수치해석 데이터 기반의 물성치 회귀 분석 및 최적설계를 소개한다. 우선 3차원 엮임 재료를 구성하는 와이어 사이의 간격을 결정하는 배율 계수를 매개변수화 하여 다양한 배율 조합을 가지는 수치 모 델을 생성하였고, 전산 수치해석을 통해 계산된 각 모델의 체적 탄성계수, 열전도 계수, 유체투과율 데이터를 이용하여 다항식 기반의 회귀 분석을 수행하였다. 이를 사용해서 체적 탄성계수와 유체투과율 사이의 다목적함수 최적설계를 통한 파레토 최적해를 도출하였 으며, 두 물성치가 서로 상충 관계에 있음을 확인하였다. 한편 3차원 엮임 재료의 열전달 효율을 높이기 위해서 유체투과율을 최대화 시키는 것을 목적으로 경사도 기반 최적설계를 수행하였고, 제약조건인 체적 탄성계수의 크기별 유체투과율의 변화율을 분석하였다. 그 결과 설계자가 원하는 최소한의 강성을 가지는 최대 유체투과율 설계 모델을 얻어낼 수 있음을 확인하였으며, 회귀 방정식을 통해 서 얻어진 설계가 높은 정확도를 가지고 있음을 추가적으로 검증하였다.

현대 사회가 복잡해지고 기술이 진보하면서 하나의 제품을 설계할 때 단일 특성이 아닌 다 특성을 갖는 제품을 설계하는 것이 요구되고 있다. 다 특성 설계 최적화 문제에서는 설계 변수의 최적값이 특성별로 다르게 되는 현상이 발생하고 이에 따라 하나의 특성에 대한 결과값이 좋아지면 다른 특성에 대한 결과값이 나빠지는 경우에 대해서 trade-off가 필요하다. 따라서 다 특성을 갖는 제품 설계 시 각각의 특성에 대한 성능을 최대화할 수 있는 효율적인 설계 방법의 필요성이 중요한 문제로 떠오르고 있다. 다 특성을 갖는 제품을 설계하는 연구는 오래전부터 중요한 문제로 인식되어 왔는데, 단일 특성에 대해 성능을 최대화하며 강건한 설계를 할 수 있는 다구치 기법과 다기준/다특성 의사 결정 방법인 TOPSIS(Technique for Order of Preference by Similarity to Ideal Solution), GRA(Grey relational analysis), PCA(Principle Component Analysis), Fuzzy Logic System을 통합한 연구들이 진행되어 왔다. 하지만 기존 연구들은 각각의 설계 대안들에 대해 다 특성 결과값에 대한 점수를 통합하여 종합 점수를 비교해 최적의 설계안을 도출할 뿐 설계자의 호감도에 대한 정보는 설계에 반영하지 못한다. 따라서 본 연구에서는 다구치 기법을 기반으로 각각의 특성들에 대한 설계자의 서로 다른 호감도를 함수로써 표현하여 강건성과 함께 설계자의 호감도를 동시에 설계에 반영할 수 있는 방법을 제안한다.

실험 계획법을 활용하여 세라마이드가 고함량으로 함유된 수화 액정형 베시클의 입자 사이즈에 영향을 미치는 인자를 분석하고 혼합물 조성의 최적화를 시도하였다. 베시클 입자 사이즈에 영향을 주는 주요 변수로 제조 온도, 에탄올 양, 초음파 시간을 각각 정하고, 다구찌 방법의 S/N비 산출과 ANOVA 분 석을 통해, 이들 변수들이 입자 사이즈에 미치는 영향을 살펴보았다. 또한 혼합물 실험 계획법의 심플렉스 중심 설계에 따라, 베시클 막을 구성하는 세 지질 성분, 인지질(HPC), 콜레스테롤(Chol), 세라마이드(Cer) 의 혼합 조성 실험을 수행하였다. 실험에서 얻어진 데이터로부터 회귀분석을 실시하여 모델식을 구하고, 베시클 입자 사이즈를 최소로 만들기 위한 세 지질 성분의 최적 혼합 조성은 HPC(0.6), Chol(0.1), Cer(0.3)으로 구해졌다.

Among the test categories of the personal dosimetry performance test in Korea, the reference neutron radiation field used for the mixed neutron-photon radiation field is generated by a D2Omoderated 252Cf source. There are some differences depending on the standards, D2O-moderated 252Cf source consists of the 252Cf source surrounded by the D2O sphere with a diameter of 30 cm, covered with a Cd shell of thickness approximately 0.051 cm ~ 0.1 cm. In order to optimize the design of the D2O sphere and establish the neutron radiation field for the personal dosimetry performance test in Central Research Institute of KHNP, the neutron spectra have been simulated by MCNP 6.2 code by design conditions and evaluated dose conversion coefficients. In the consideration of neutron irradiation facility, the basic design structure was determined a D2O sphere with a diameter of covered with a Cd shell and a cylindrical well is in the middle of sphere. Neutron source transfer tube is inserted into this well-shaped structure and neutron source was withdrawn from the tube. And by changing the following design conditions in detail, the neutron spectra were evaluated; 1) the entire diameter of the D2O sphere (with or without the diameter of 7.5 cm of well-shaped structure) 2) the location of the neutron source (distance from D2O) 3) thickness of Cd shell 4) purity of D2O. As a source spectrum, the spectrum of bare- 252Cf recommended by ISO 8529-1 was adopted and spectra were tallied using F4 tally at a distance of 120 cm from the neutron source. Finally, the fluence to dose conversion coefficients were calculated using the simulated spectra. As a result of the evaluation, in case that an entire diameter of the D2O sphere with a diameter of the source tube is 37.5 cm, the fluence to dose conversion coefficient was evaluated to about 4.4% lower than an entire diameter of the D2O sphere is 30 cm. And in case that the distance between the D2O and the top of the neutron source was about 3.75 cm which is a radius of well-type structure, it was evaluated to about 1.4% larger than the distance was about 1 cm, and when the thickness of Cd was 0.1 cm, it was evaluated to 0.8% larger than when it was 0.051 cm. Finally, when the purity of D2O was 99.99%, it was evaluated 1.5% lower than when it was 99%. Except for the diameter of D2O sphere, the differences on the other conditions are acceptable considering the uncertainty of the simulation. Therefore, the design of D2O-moderated 252Cf source was determined by considering source integrity, economic perspectives, and dose conversion coefficient given in ISO 8529: a D2O sphere with an entire diameter of 37.5 cm, filled with above 99% purity of D2O, and covered with a cadmium thickness of 0.1 cm. The fluence to dose conversion efficient was evaluated as 110.10 pSv cm2 for ambient dose H*(10), 115.21 pSv cm2 for personal dose Hp(10) respectively.

The design of a wooden impact limiter equipped to a transportation cask for radioactive materials was optimized. According to International Atomic Energy Agency Safety Standards, 9 m drop tests should be performed on the transportation cask to evaluate its structural integrity in a hypothetical accident condition. For impact resistance, the size of the impact limiter should be properly determined for the impact limiter to absorb the impact energy and reduce the impact force. Therefore, the design parameters of the impact limiter were optimized to obtain a feasible optimal design. The design feasibility criteria were investigated, and several objectives were defined to obtain various design solutions. Furthermore, a probabilistic approach was introduced considering the uncertainties included in an engineering system. The uncertainty of material properties was assumed to be a random variable, and the probabilistic feasibility, based on the stochastic approach, was evaluated using reliability. Monte Carlo simulation was used to calculate the reliability to ensure a proper safety margin under the influence of uncertainties. The proposed methodology can provide a useful approach for the preliminary design of the impact limiter prior to the detailed design stage.

The sub-frame is located on the lower body of a monocoque type vehicle and serves as an engine and suspension, and is an important object part that receives a lot of load. The existing press-type sub-frame has a large number of parts for assembling, which causes an increase in cost. Changing the machining form of this part from the existing press-type machining method to the hydro-forming machining method has the advantage of reducing the cost and weight at the same time due to the reduction of the process. Therefore, in this study, the purpose of this study is to change the design so that the sub-frame of the existing press type can be changed to the hydro-forming process method. To this end, we intend to present a design method by analyzing the effect on the rigidity of the sub-frame using the existing machining method through shape optimization analysis.

본 연구에서는 3D 프린팅 FDM 방식의 적층 방향에 따라 기계적 물성이 달라지는 이방성 특성을 확인하고 이를 이용하여 위상 최 적설계를 수행하였다. 벤치마크 문제인 자동차 현가장치 부품 중 하나인 로어 컨트롤 암에 대하여 밀도법 기반 위상 최적설계를 수행 하였으며, 외부 하중과 이방성 특성에 따라 위상 최적결과가 다르게 나타나는 것을 확인하였다. 이를 이용하여 최적화된 모델에 대하 여 3D 프린터로 적층 방향을 달리하여 2가지 시험품을 제작하였으며 인장시험을 수행하였다. 시험시 3D 비접촉 변형률 측정기를 이 용하여 변형률을 구하였으며 이를 CAE 응답해석으로 얻은 변형률과 비교한 결과가 정량 및 정성적으로 일치하는 것을 확인하였다. 3D 프린팅 적층 방향을 고려한 위상 최적모델의 인장 실험 결과를 통해 해당 최적설계 방법론의 유효성을 검증하였다.

In this study, stiffness evaluation was conducted on the main member, front cross member, and rear cross member, which are three components of sub-frame for SUVs (sports utility vehicles), through mode analysis. As for the design variables used in the analysis, the maximum frequency was examined by varying the width and height of each of the three parts into four types. Of course, the weight at this time is minimized, and the mode is set as a constraint that only bending occurs and no distortion occurs. As a result of the analysis, the member affecting the 1st mode was the rear cross member, and the member having the greatest influence on the 2nd mode was the front cross member. In addition, the member with the greatest influence on the 3rd mode appeared as the rear cross member, indicating that this part had the greatest effect on the bending stiffness.

In this paper, a method of reducing the weight of vehicle wheels through topology optimization by finite element method is proposed. Recently, various environmental pollution caused by the operation of vehicles is gradually increasing, and this has a great correlation with the fuel efficiency of the vehicle. Therefore, it is required to reduce the weight of the vehicle to increase fuel efficiency. Among them, the vehicle's wheels are a key part of vehicle acceleration and braking, and passenger safety. Because the shape of the wheels is different, various effects such as reduced fuel economy and reduced airpower occur as well as aesthetic factors. The stiffness of the wheels plays an important role in transmitting the vehicle's power to the tires and braking. In this study, to reduce weight while satisfying the stiffness value, we propose to use topology optimization to design an arbitrary shape according to the number of spokes on the wheel.

본 연구에서는 환경, 재료 물성 및 제작 등에서의 불확실성을 고려하여 130m급 고정식 해양구조물의 신뢰성 기반 최적설계를 수행 하였다. 구조물의 구조건전성을 엄밀하게 반영하기 위해 작용 및 허용 응력의 비인 UC 값을 신뢰성 해석 및 신뢰성 기반 최적설계의 제약조건으로 고려하였다. 해양구조물의 제작비용을 저감하기 위해 자켓형 지지구조물의 중량을 최소화하였다. 불확실성의 통계적 특성은 문헌 등을 참고하여 관측되거나 측정된 데이터를 기반으로 정의하였다. 자켓형 해양구조물의 신뢰성 해석과 신뢰 기반 최적 설계는 부재 수가 많아 계산 부담이 큼으로 문제의 차원을 축소하기 위해 응답의 중요성을 기준으로 설계변수를 선별할 수 있는 방법 을 제안한다. 또한 효율적인 계산을 위해 신뢰성 기반 최적설계를 수행하기 전 결정론적 최적설계를 먼저 수행하였다. 마지막으로, 도 출된 최적설계(안)을 기존 각 급 규정 기반 설계와 안전성 및 경제성 측면에서 비교 분석하였다.