위상최적화를 활용한 실무설계 방안(서충원)
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MIDAS Technical Conference
『 위상최적화 』 를 활용한실무설계 방안
서충 원 ㈜마이다스아이티 / 선행기술연구파트장
2012.02.28
Part 1. 최적화 문제로의접근
Part 2. 위상최적화의 이해
Part 3. 실무 최적설계를위한 midas NFX
....... 01
....... 14
....... 17
『 위상최적화 』 를 활용한실무설계방안
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Total Solution for True Analysis-driven Design
Part 1. 최적화문제로의 접근
구성요소
줄이거나키우고싶은값
만족해야하는설계조건
임의로바꿔보고자하는값
목적함수
구속조건
설계변수
최적화문제구성
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Total Solution for True Analysis-driven Design
Part 1. 최적화문제로의 접근
구성요소
줄이거나키우고싶은값목적함수
최적화문제구성
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Total Solution for True Analysis-driven Design
Part 1. 최적화문제로의 접근
구성요소
구속조건
만족해야하는설계조건
최적화문제구성
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Total Solution for True Analysis-driven Design
성형전후
임의로바꿔보고자하는값
Part 1. 최적화문제로의 접근
구성요소
설계변수
최적화문제구성
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Total Solution for True Analysis-driven Design
x1x2
설계변수x
목적함수f (x)
구속조건g(x)
x3 x4 x5
Part 1. 최적화문제로의 접근
구성요소
최적해
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Part 1. 최적화문제로의 접근
설계변수
최적화문제구성
목적함수
구속조건
설계변수
최적화문제구성
설계변수
줄이거나키우고싶은값
만족해야하는설계조건
임의로바꿔보고자하는값
목적함수
구속조건
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Total Solution for True Analysis-driven Design
종류 설계변수
치수최적화
• Property로 표현 가능한 크기
(보 단면/판 두께/질량/하중)
• 부재크기 결정
형상최적화
• 기하형상 관련된 모든 것
(구멍 위치, 크기, 개수, 치수)
• 경계위치 결정
위상최적화• 요소 형상 밀도
• 부재크기, 경계위치 결정
Part 1. 최적화문제로의 접근
구조최적화 구분 -설계변수
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위상최적화설계변수 -형상밀도
Part 2. 위상최적화의 이해
형상밀도
1.0
0.8
0.6
0.4
형상밀도의이해
재료배치로시스템의레이아웃결정
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Total Solution for True Analysis-driven Design
Part 2. 위상최적화의 이해
위상최적화설계변수 -형상밀도
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
형상밀도
강성비 k/k0
형상밀도
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
부피비 v/v0
형상밀도에따라요소부피,강성변화 =재료배치
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Total Solution for True Analysis-driven Design
Part 2. 위상최적화의 이해
위상최적화기본 문제구성
컴플라이언스 -전체강성
부피비 – 재료의사용량
요소의형상밀도
위상최적화문제구성
최적화문제구성
목적함수
구속조건
설계변수
위상최적화기본문제구성
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Total Solution for True Analysis-driven Design
Part 3. 실무최적설계를 위한 midas NFX
생활용품 -의자
최적화문제구성
목적함수컴플라이언스-최소화
(강성최대화)
구속조건 부피비 (20%)
설계변수 요소형상 밀도
몸무게
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Total Solution for True Analysis-driven Design
Reference: Large-scale topology optimization in 3D using parallel computing
초기모델 최적화결과 Reference
설계영역은크고단순하게!
Part 3. 실무최적설계를 위한 midas NFX
생활용품 -의자
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Part 3. 실무최적설계를 위한 midas NFX
자전거부품 – 메인 프레임
최적화문제구성
목적함수컴플라이언스-최소화
(강성 최대화)
구속조건 부피비 (10%)
설계변수 요소형상 밀도
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Part 3. 실무최적설계를 위한 midas NFX
자전거부품 – 메인 프레임
설계영역은크고단순하게!
초기모델 최적화결과
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Part 3. 실무최적설계를 위한 midas NFX
자전거부품 – 크랭크 암
최적화문제구성
목적함수컴플라이언스-최소화
(강성 최대화)
구속조건 부피비 (20%)
설계변수 요소형상 밀도
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다중하중
최적화결과초기모델
다양한하중조건 = 다중하중으로고려 !
Part 3. 실무최적설계를 위한 midas NFX
자전거부품 – 크랭크 암
고정단
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Total Solution for True Analysis-driven Design
Part 3. 실무최적설계를 위한 midas NFX
운동기구 -농구대
45cm
최적화문제구성
목적함수컴플라이언스-최소화
(강성 최대화)
구속조건 부피비 (4%)
설계변수 요소형상 밀도
151.80m
1.0
5m 비설계영역
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Part 3. 실무최적설계를 위한 midas NFX
운동기구 -농구대
최적화결과초기모델
해석에는포함되는비설계영역활용
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Total Solution for True Analysis-driven Design
목적함수 구속조건
정적컴플라이언스 부피비
동적컴플라이언스 부피비
평균고유치 부피비
위상최적화문제 구성의 확장
설계변수
형상밀도2% 부족 ?
Part 3. 실무최적설계를 위한 midas NFX
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Total Solution for True Analysis-driven Design
목적함수 구속조건
정적컴플라이언스 부피비
동적컴플라이언스 부피비
평균고유치 부피비
부피비 변위,응력
설계변수
형상밀도
midas NFX위상최적화 문제구성
공통구속조건
-제조조건
성형방향
반복조건
Part 3. 실무최적설계를 위한 midas NFX
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위상최적화구속조건 -제조조건
대칭조건대칭조건개념
대칭면
대칭조건없음
대칭조건사용 대칭면
2D Beam
Part 3. 실무최적설계를 위한 midas NFX
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Total Solution for True Analysis-driven Design
위상최적화구속조건 -제조조건
제조조건없음VIEW
성형조건단방향 양방향 관통
Casting Die
Casting Die
Part 3. 실무최적설계를 위한 midas NFX
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Total Solution for True Analysis-driven Design
Part 3. 실무최적설계를 위한 midas NFX
자동차부품 – 벨 크랭크
설계영역
목적함수 부피비-최소화
구속조건 변위제한-0.05mm
설계변수 요소형상 밀도
최적화문제구성
변위제한
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최적화결과
Reference: Weight Reduction Techniques Applied to Formula SAE Vehicle Design: An Investigation in Topology Optimization
초기모델
Part 3. 실무최적설계를 위한 midas NFX
자동차부품 – 벨 크랭크
①②
③
④
부피
-24.3%
설계조건을고려한
최적화문제구성
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Part 3. 실무최적설계를 위한 midas NFX
기계장비 -취출로봇
최적화문제구성
목적함수 부피비-최소화
구속조건 주파수응답변위제한-1mm
설계변수 요소형상밀도
최적화결과
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
Dis
pla
cem
ent
(mm
)
Time (Sec)
주기하중추출
변위제한
초기모델
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Part 3. 실무최적설계를 위한 midas NFX
위상최적화 활용방안
초기개념설계
설계영역을간단히
해석조건에유념
기졲설계성능향상을통한경량화
기졲해석조건유지
설계조건을고려한최적화조건에유념
ConceptDesign
PerformanceEnhancement
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치수최적화(2012 하반기)
비드최적화(2012 하반기)
형상최적화
midas NFX 최적화 모듈개발 방향
<설계변수 - 비드 높이>
평판
비드판