해석 수렴성을 개선한 음의 강성 허니콤 단위셀 최적설계 :Optimal Design of Negative Stiffness Honeycomb unit cell with improved analysis convergence

최주영

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자료유형: 학위논문

저자정보: 최주영 (부산대학교, 부산대학교 대학원)

지도교수: 노유정

발행연도: 2023

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이용수17

이 논문의 연구 히스토리 (2)

2023

해석 수렴성을 개선한 음의 강성 허니콤 단위셀 최적설계

최주영 기계공학부 2023.01 학위논문

2022

음의 강성을 갖는 단위 셀 허니콤 구조 최적화

최주영 , 김형도 , 노태민 외 2명 대한기계학회 춘추학술대회 2022.05 학술대회자료

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기존의 허니콤 구조물의 경우 외부에서 충격을 받게 되면 소성 변형에 의해서 충격 에너지를 흡수하기 때문에 재사용을 할 수 없게 되는 단점이 있다. 이러한 문제점을 극복하기 위해서 나온 구조가 바로 음의 강성 허니콤 구조물이다. 이러한 음의 강성 허니콤 구조물의 충격 흡수하는 주된 원리는 곡선빔의 스냅-스루 현상을 이용하여 에너지를 흡수 및 소산시키게 된다. 현재까지 음의 강성 허니콤 구조물의 최적 설계의 경우 경험적 혹은 기존 이론을 토대로 설계를 진행한 경우는 많았지만, 음의 강성 허니콤 단위 셀에 대하여 형상 설계 변수값을 변경시켜 단위 질량당 에너지 흡수율을 가장 높일 수 있는 최적 설계 형상에 관한 연구는 진행된 바가 없다. 따라서 음의 강성 허니콤 단위 셀에 대하여 단위 질량당 에너지 흡수율을 높일 수 있는 형상 설계 변수들을 유한 요소 해석을 통하여 찾고자 하였다. 하지만 음의 강성을 가지는 곡선빔에 대한 유한 요소 해석의 경우 형상이 변경됨에 따라서 해석 수렴이 어려운 부분이 존재하였고, 해석 수렴이 된다고 할지라도 해석의 결과값을 신뢰할 수 없는 문제가 발생하였다. 결과적으로 본 연구는 형상 설계 변수뿐만이 아니라 해석 설계 변수도 고려하여 단위 질량당 에너지 흡수량을 최대화하면서 해석의 정확성을 높이고자 하였다. 추가적으로 본 연구에서 선정한 설계변수들이 유의미하게 선택되었는지 확인하기 위하여 입력 변수들과 해석의 수렴성, 단위 질량당 에너지 흡수량, 최대 변형률에 관한 상대오차율 사이의 관계 분석을 시행하여 얼마만큼 영향력을 미치는지 살펴보았다. 마지막으로 최적 설계를 진행하기 위하여 단위 질량당 에너지 흡수량을 최대화하면서 상대오차율을 최소화하는 다중 목적함수에 관한 설계 정식화를 한 뒤 메타모델 및 진화 알고리즘을 이용하여 최적 설계를 진행하였다. 결과적으로 본 연구를 통해 위쪽 곡선빔과 아래쪽 곡선빔의 형상이 비대칭적이면서 위쪽 곡선빔의 두께 및 높이가 아래쪽 곡선빔보다 더 클 때 단위 질량당 에너지 흡수량이 최대화 된다는 것을 파악하였으며, 해석의 정확성의 경우 격자 크기 0.9이상, 증분량 85이상, 접촉 강성 계수 0.05~0.07일 때 각각의 형상의 오차율이 최소화 된다는 사실을 파악하였다. 결과적으로 본 연구 과정들을 통하여 유한 요소 해석 수렴이 제대로 되지 않는 형상들에 대하여 유사한 방법으로 분석 및 최적 설계를 진행할 시 해석의 정확성을 보장하면서 목적함수를 최대화 혹은 최소화하는 설계 변수값을 찾을 수 있다는 것을 확인할 수 있었다.

#CAE #analysis convergence #negative stiffness honeycomb

1. 서론 1
2. 음의 강성 허니콤 구조 4
2.1 단일 음의 강성 곡선빔의 특징 및 특성 4
2.2 음의 강성 곡선빔의 이론 및 수치 해석의 차이 8
2.3 음의 강성 곡선빔의 유한 요소 해석의 정확성 평가 10
3. 음의 강성 허니콤 단위셀의 유한 요소 해석 13
3.1 모델링 및 격자 선정 14
3.2 재료 물성값 16
3.3 조건 부여 및 해석 수행 16
3.4 음의 강성 허니콤 단위셀의 해석 수렴 문제 17
3.4.1 음의 강성 허니콤 단위셀의 수렴 인자 18
3.4.2 음의 강성 허니콤 단위셀의 오류 유형 19
4. 기계 학습을 이용한 음의 강성 허니콤 단위 셀의 특성 22
4.1 설계변수들의 범위 선정 22
4.2 데이터 생성 방법 23
4.3 전체 데이터의 분포 24
4.4 수렴성에 관한 분류 모델 형성 27
4.5 오차율 및 에너지 흡수량에 관한 회귀모델 형성 33
4.6 각 설계 변수들의 평균적인 특성 36
4.6.1 형상 설계 변수들의 특성 37
4.6.2 해석 설계 변수들의 특성 41
5. 음의 강성 허니콤 단위 셀의 최적 설계 45
5.1 설계 문제 정식화 45
5.2 실험 계획법 및 메타 모델 설계 47
5.3 최적 설계 결과 51
6. 결 론 55
참고문헌 57
ABSTRACT 60

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