기구학적 특성과 컴플라이언스 특성을 동시에 고려한 기구 위상 및 형상 통합 최적설계

학위논문 (박사) -- 서울대학교 대학원 : 공과대학 기계항공공학부(멀티스케일 기계설계전공), 2020. 8. 김윤영.Mechanism synthesis based on topology optimization has recently received much attention as an efficient design approach. The main thrust behind this trend is the capability of this method to determine automatically the topology and dimensions of linkage mechanisms. Towards this direction, there have been many investigations, but they have thus far focused mainly on mechanism synthesis considering kinematic characteristics describing a desired path or motion. Here, we propose a new topology optimization method that synthesizes a linkage mechanism considering not only kinematic but also compliance (K&C) characteristics simultaneously, as compliance characteristics can also significantly affect the linkage mechanism performance; compliance characteristics dictate how elastic components, such as bushings in a vehicle suspension, are deformed by external forces. To achieve our objective, we use the spring-connected rigid block model (SBM) developed earlier for mechanism synthesis considering only kinematic characteristics, but we make it suitable for the simultaneous consideration of K&C characteristics during mechanism synthesis by making its zero-length springs multifunctional. Variable-stiffness springs were used to identify the mechanism kinematic configuration only, but now in the proposed approach, they serve to determine not only the mechanism kinematic configuration but also the compliance element distribution. In particular, the ground-anchoring springs used to anchor a linkage mechanism to the ground are functionalized to simulate actual bushings as well as to identify the desired linkage kinematic chain. After the proposed formulation and numerical implementation are presented, three case studies to synthesize planar linkage mechanisms were considered. Through these case studies, we verified the validation of the proposed approach and proved that the proposed methodology could solve problems when existing methods could not. After the effectiveness of the proposed method is demonstrated with a simplified two-dimensional vehicle suspension design problem, the proposed methodology is applied to design a three-dimensional suspension. To deal with three-dimensional mechanisms, a spatial SBM is newly developed because only planar SBMs have been developed. Furthermore, a set of design variables which can vary bushing stiffness are newly introduced. Using the proposed method, it was possible to successfully synthesize two types of suspension mechanisms which have similar kinematic characteristics to each other but different compliance characteristics. By using the proposed method simultaneously considering kinematic and compliance characteristics, a unique suspension mechanism having an integral module which is known to improve R&H performances was synthesized. In this study, although applications were made only to the design of vehicle suspensions, other practical design problems for which K&C characteristics must be considered simultaneously can be also effectively solved by the proposed approach. This study is expected to pave the way to advance the topology optimization method for general linkage mechanisms considering kinematic characteristics but also the other characteristics such as force-related characteristics.위상 최적화(topology optimization) 기법을 이용한 한 기구 합성(mechanism synthesis)은 그 효율성으로 인해 최근 많은 주목을 받고 있다. 이러한 추세의 주 원인은 기구 위상 최적화 기법으로 인해 기구의 위상(topology)과 치수(dimension)를 자동으로 합성할 수 있기 때문이다. 이러한 방향성을 가지고 지금까지 많은 연구들이 진행되어 왔지만, 지금까지 진행된 연구들은 모두 경로 합성이나 운동 합성과 같이 기구학적 특성을 고려하는 데에만 관심이 집중되었다. 본 연구에서는 기구의 기구학적 특성(kinematic characteristics)과 컴플라이언스 특성(compliance characteristics)을 동시에 고려할 수 있는 새로운 기구 위상 최적화 기법을 제안한다. 기구학적 특성은 기구 설계에 있어 매우 중요한 특성이지만, 외력이 작용하였을 때 자동차 서스펜션(vehicle suspension)의 부싱(bushing)과 같은 탄성 요소들의 변형으로 인해 나타나는 컴플라이언스 특성 또한 기구 설계 시 고려해야 할 중요한 특성이기 때문이다. 새로운 기구 위상 최적화 기법을 위해 우리는 기구학적 특성만을 고려하기 위해 개발되었던 스프링-연결 블록 모델(spring-connected block model)을 기구학적 특성과 컴플라이언스 특성을 동시에 고려할 수 있도록 고안하였다. 기존의 스프링-연결 블록 모델에서는 기구학적 연결 관계만을 표현하는데 사용되던 가변 강성 스프링을 본 연구에서는 기구학적 연결 관계뿐 아니라 실제 부싱을 표현하도록 다목적으로 활용하여 기구학적 특성과 컴플라이언스 특성을 하나의 모델링을 통해 성공적으로 표현하였다. 개발한 방법론의 효과를 입증하기 위해 평면 기구 합성을 목표로 한 세 종류의 사례 연구(case study)를 진행하였고, 이러한 사례 연구를 통해 우리는 제안한 방법이 기존의 방법으로는 해결할 수 없는 문제 상황을 해결할 수 있음을 확인하였다. 개발한 방법론을 보다 실용적인 문제에 적용하기 위해 3차원 자동차 서스펜션(vehicle suspension) 설계 하고자 하였으며, 이를 위해 스프링-연결 블록 모델을 3차원으로 확장하였다. 또한, 보다 실용적인 설계 결과 도출을 위해 2차원 사례 연구에서는 사용하지 않았던 부싱 강성 조절 설계 변수를 추가적으로 도입하여, 부싱 강성도 동시에 설계를 진행하였다. 3차원 서스펜션 설계는 기구학적 조건은 동일하지만, 컴플라이언스 특성은 다른 두 가지 조건에 대해 진행되었으며, 두 설계 조건에서 모두 서스펜션 합성에 성공하였다. 특히, 두 서스펜션의 결과 위상이 서로 다른 것을 확인할 수 있었는데, 이를 통해 기구학적 조건은 동일하되 컴플라이언스 조건이 달라지면 결과 위상이 달라질 수 있음을 확인하였고, 개발한 방법론을 통해 설계 조건에 맞는 기구의 위상과 치수 그리고 필요한 부싱 강성까지도 성공적으로 설계할 수 있음을 증명하였다. 본 연구는 컴플라이언스 조건이 특히 중요시 되는 자동차 서스펜션을 설계하는데 집중하였지만, 개발한 방법론은 기구학적 특성과 컴플라이언스 특성이 모두 요구되는 다른 설계 문제에도 적용될 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 이 연구는 기구학적 특성뿐만 아니라 힘과 관련된 다른 특성을 고려한 일반적인 기구 위상 최적화 기법으로의 발전에 기여할 것으로 기대된다.CHAPTER 1. Introduction 1 1.1 Motivation and related literatures 1 1.2 Research objectives 6 1.3 Background research 8 1.3.1 Linkage mechanism synthesis based on the spring-connected rigid block model (SBM) 8 1.3.2 Determination of the systems degree-of-freedom (DOF) based on the work transmittance efficiency function 10 1.4 Outline of thesis 12 CHAPTER 2. Unified topology and shape optimization method for the mechanism synthesis simultaneously considering kinematic and compliance (K&C) characteristics 18 2.1 Overview 18 2.2 Modeling and analysis 23 2.2.1 Modeling 23 2.2.2 Kinematic and compliance analyses with the SBM 26 2.3 Optimization Formulation 33 2.3.1 Design variable and interpolation 33 2.3.2 Objective and constraint functions 35 2.3.3 Sensitivity analysis 39 2.4 Case studies 43 2.4.1 Case study 1 - Validation of the proposed method 43 2.4.2 Case study 2 - Demonstration of the advantage of the proposed method 46 2.4.3 Case study 3 - Application to the design of a 2D vehicle suspension 50 2.5 Summary 57 CHAPTER 3. Design of vehicle suspensions for rear using topology optimization method considering K&C characteristics 78 3.1 Overview 78 3.2 Modeling and analysis based on the spatial SBM 81 3.2.1 The spatial SBM for the design of a vehicle suspension 81 3.2.2 Kinematic and compliance analyses by the spatial SBM 83 3.3 Optimization Formulation 90 3.3.1 Design variable and interpolation 90 3.3.2 Objective and constraint functions 93 3.3.3 Sensitivity analysis 95 3.4 Design of vehicle suspensions for rear using the proposed method 99 3.4.1 Definition of problem 99 3.4.2 Design Case 1 - Recovery of a double wishbone suspension 101 3.4.3 Design Case 2 - Suspension synthesis for improving ride and handling (R&H) performances 104 3.5 Summary 110 CHAPTER 4. Conclusions 133 APPENDIX A. Target cascading process for deriving K&C characteristics of a suspension to improve vehicles R&H performances 138 A.1 Overview 138 A.2 Ride and handling (R&H) performances 139 A.3 Analysis procedure to evaluate R&H performances using a double wishbone suspension 140 A.4 Design optimization of a double wishbone suspension for deriving K&C characteristics to improve R&H performances 141 A.4.1 Design variable and interpolation 141 A.4.2 Metamodeling 142 A.4.3 Optimization formulation 144 A.4.4 Optimization result 145 APPENDIX B. Technique to suppress floating blocks 158 B.1 Overview 158 B.2 Explanation of techniques to suppress floating blocks 159 B.3 Revisit Case study 3 for applying the technique to suppress floating blocks 161 APPENDIX C. Investigation of mesh dependency issue 167 C.1 Overview 167 C.2 Re-consideration of Case study 1 with the more number of rigid blocks 168 REFERENCES 172 ABSTRACT (KOREAN) 181 ACKNOWLEDTEMENTS 184Docto

선체 구조 해석을 위한 대화식 GUI의 개발

학위논문(석사)--서울대학교 대학원 :조선해양공학과,1995.Maste

알루미나 접합체의 미세구조 및 파괴강도에 관한 연구

학위논문(석사)--서울대학교 대학원 :무기재료공학과,1996.Maste

Study on the development of case-adaptation algorithm for midship section design

학위논문(박사)--서울대학교 대학원 :조선해양공학과,2002.Docto

스포츠 마케팅에서 스포츠 熱狂者 特性 分析과 그 戰略的 活用에 關한 硏究

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Synthesis of epitaxial ferroelectric (Hf,Zr)O2 thin films with ultra-smooth surface

MasterIn many years of research on hafnium dioxide (HfO2), stabilization of its ferroelectric phase was such a challenging issue in field of the thin film physics. HfO2 is often believed that it could be the candidate of unconventional ferroelectricity; which is frequently referred as “improper ferroelectricity”. It still maintains polarization with the thickness-free property in contrast to conventional ferroelectric materials; such as BaTiO3, PbTiO3. Because the downsizing of the circuit system is important topic for application, thickness-free property is quite fascinate and prospect. By fabricating ferroelectric hafnia sample at proper conditions and with impurity dopants (Zr; zirconium), ferroelectricity can be revealed by orthorhombic distortion (structural transition). However, improper ferroelectricity of hafnia was mostly dealt with theoretical calculations. Against to those prospect anticipations, there were no evident experimental proof for improper ferroelectricity though the ferroelectricity phase has been repeatedly observed. Mainly on recent experimental papers, I concluded that there were no accuracy for thickness measurement. In this thesis, the step-terrace formed surface image would convince accuracy for the thickness of hafnia sample, which can precisely count the definite number of layer. Controlling the layer of deposited hafnia thin film may close to the verification for improper ferroelectric. Furthermore, this verification could front for future applications for ferroelectric devices

신뢰성 분석 기법을 이용한 원전 운전팀의 안전문화 평가 방법론 개발

학위논문(석사) - 한국과학기술원 : 원자력및양자공학과, 2015.8 ,[v, 48p :]이 연구의 목표는 원전 운전팀의 안전문화 평가를 위해, 확률적 안전성 평가 방법론 개념을 적용한 새로운 평가방법론을 제시하고, 이의 유효성을 확인하는 것이다. 안전문화를 관리하고 증진시키기 위해 안전문화 평가 방법론이 필요하다는 것은, 학자들 사이에서의 공통된 의견이다. 이의 일환으로 Internation-al atomic energy agency (IAEA)에서 Independent safety culture self-assessment (ISCA), Nuclear energy institute (NEI)에서 Nuclear safety culture assessment (NSCA) 등의 방법들이 개발되었지만 이 방법론들은 모두 전문가의 면담, 설문, 관찰을 기반으로 하고 있기 때문에 분명한 한계점이 존재한다. 평가항목이 평가방법마다 다르며, 정석적으로 나오는 결과는 전문가의 의견과 피평가자의 답변 진실성에 크게 의존한다. 면담과 설문 분석 결과가 나오는 데까지 걸리는 시간 또한 약 2주 정도로, 측정 상황의 안전문화와는 시간적 차이가 존재한다. 이에 본 연구에서는 level 1 확률적 안전성 평가 방법론 개념을 안전문화에 적용하여 문제를 해결하고자 한다. 평가항목이 평가방법마다 다르다는 문제점을 해결하기 위해 IAEA, United States nuclear regulatory commission (US-NRC), Korea hydro & nuclear power (KHNP), 그리고 Institute of nuclear power operations (INPO)에서 발행한 보고서들을 검토하여 원칙, 속성, 특징, 및 특성들로 구분하고 있는 안전문화 평가항목들을 모두 통합하였다. 비슷한 내용을 담고 있는 평가항목들끼리 다시 분류 되어, 총 8개의 카테고리에 36개의 평가항목이 재정의되었다. 평가항목들은 원자력 발전소 내의 가장 작은 작업 단위인 팀에 초점을 두고 재정의되었다. 확률적 안전성 평가 방법론 개념을 도입하기 위해서, 안전문화 평가 방법론들의 특징을 조사하였다. 방법론들은 크게 세 가지의 다음과 같은 목적을 가지고 있다. 1) 안전을 중시하는 업무 환경을 조성하여, 최대한 사건/사고의 발생 빈도를 줄이려고 노력하는지 평가하기 위함. 2) 사건/사고가 발생하였을 때, 이를 적절하게 대처하고 있는지 평가하기 위함. 3) 사건/사고 대처가 끝난 후에, 원인 분석과 재발방지를 위한 대책 수립을 하는지 평가하기 위함이 평가목적이다. 하지만 기존 평가방법론들은 이를 동시에 평가하고 있기 때문에, 확률적 안전성 평가방법을 도입하여 각각의 목적과 순서에 맞게 평가항목들을 구분하였다. 이에 추가적으로 다른 팀원이 잘못을 저질렀을 때 이를 지적해주고 커버해줄 수 있는가를 고려하여, 사건 수목과 성공 수목을 작성하였다. 이 때, 앞서 재정의 한 평가항목들은 성공 수목의 기본 사상들에 해당된다. 성공 수목의 최상위 사상들, 즉 사건 수목에서의 완화 시스템들은, 평가방법론의 두 번째와 세 번째 목적에 초점을 두었으며, 첫 번째 목적은 공통고장확률로써 작용한다고 생각하였다. 추가적인 팀 내의 협력은 회복 확률로써 고려되었다. 기본 사상들은 조작적 정의를 이용하여 노미날 성공 확률을 구할 수 있도록 가이드라인을 만들었으며, 각각의 기본 사상들에 영향을 미치는 공통고장 확률과 회복 확률을 고려하여 최종 성공 확률을 구할 수 있다. 완화 시스템들의 성공 유무에 따라 팀 안전문화는 Safe success, Unsafe success, Safe failure, 그리고 Un-safe failure 상태를 가진다고 가정하였으며, Safe success 상태를 가장 바람직한 안전문화의 상태라고 정의하였다. 제시한 팀 안전문화 평가 방법론의 실제 분석 결과 활용성을 알아보기 위하여, 실제 시뮬레이터에서 취득한 동영상 자료에 대하여, 수행도 분석과 제시한 안전문화 평가를 독립적으로 시행한 후 비교하였다. 세 가지 가설을 확인하는 방법으로 활용성을 확인하였다. 1) 팀 안전문화 중 ‘성공’ 상태일 확률과 팀 수행도 사이에는 상관관계가 있을 것이다. 2) 팀 안전문화 중 ‘Safe Success’ 상태의 확률과 ‘Unsafe Success’ 상태의 확률의 비율은 일정할 것이다. 즉, 팀 특성일 것이다. 3) 제시한 모델의 단절집합 분석은 인간공학적으로 수행되던 표면적인 이유들 이 외에 팀의 잠재적인 문제점까지 알아낼 수 있을 것이다. 실제 분석을 통하여 이 세가지 가설이 옳음을 확인 할 수 있었고, 결론적으로 기존에 시행하고 있는 안전문화 평가 방법론보다 빠르고, 정량적이며, 안전문화 측면에서의 개선사항까지 제시해 줄 수 있는, 확률론적 안전성 평가 방법론을 적용한 안전문화 평가 방법론을 제시할 수 있었다.한국과학기술원 :원자력및양자공학과