진화적 구조 최적화 기법을 이용한 컴플라이언트 메커니즘 설계

Abstract

컴플라이언트 메커니즘이란 메커니즘을 구성하는 일부분 혹은 전체의 탄성변형을 이용하여 설계자가 원하는 운동을 발생시키는 기구구조물을 말한다. 이러한 탄성변형을 통하여 기구의 기능을 하게 되기 때문에 설계 방법들이 제안되기 전에는 초기설계과정부터 직관 및 경험에 따라 설계하게 되므로 많은 시행착오의 반복이 불가피하게 되어 많은 시간과 노력이 필요하였다. 이러한 이유로 강체기구를 근사한 방법이나 위상최적설계의 기법을 이용하여 기구성능의 최대화를 통한 기구 형상설계 방법 등이 제안되었다. 그러나 지금까지의 컴플라이언트 메커니즘의 최적설계는 밀도법이나 균질화법, 프레임 요소법 등의 최적화 방법으로 구조의 형상을 도출하였지만, 진화적 구조 최적화 기법(ESO기법)을 기반으로 한 컴플라이언트 메커니즘 설계는 좀처럼 개발되어 지지 않고 있다. 따라서 본 논문에서는 두 개의 부분으로 나뉘어 일반적인 힘에 의한 컴플라이언트 메커니즘과 열에 의한 컴플라이언트 메커니즘을 제안된 ESO기법을 이용하여 최적화 해를 구하였다. (1) ESO기법을 이용하여 일반적인 컴플라이언트 메커니즘을 구현하기 위하여 유연성과 강성의 척도인 상호포텐셜에너지와 스트레인에너지를 정의하고, 유연성과 강성을 동시에 최대화하는 다 기준목적 최적화 문제를 구성하였다. 또한, ESO기법을 컴플라이언트 메커니즘 설계에 적용하기 위해 제거법이 아닌 추가법을 제안하여 최적화를 수행하였다. (2) 입력단에 힘 대신 열하중이 작용하는 열에 의한 컴플라이언트 메커니즘을 ESO기법을 이용하여 설계하였다. 열 컴플라이언트 메커니즘 설계의 대부분의 방법은 열전달 해석 시 대류현상을 무시하거나 제한적인 대류영향만을 고려하여 컴플라이언트 메커니즘을 설계하였으나 본 논문에서는 출력을 최대화하는 목적함수를 구성하여 열전달 해석 시 요소의 제거에 따라서 열전달이 발생하는 경계면을 제안한 후 그 경계면에서 대류 해석을 수행하여 열 컴플라이언트 메커니즘을 설계하였다. 본 논문에서는 제안한 방법을 이용하여 컴플라이언트 메커니즘의 설계 예제에 적용하였고, 상용유한요소 프로그램인 ANSYS를 이용하여 이를 도출함으로써 ESO기법을 이용한 컴플라이언트 메커니즘 설계가 가능함을 입증하였다.; New topology optimization scheme based on Evolutionary Structural Optimization (ESO) for compliant mechanisms design is suggested. It is performed by adopting a methodology that apply element additive version and element removal technique. A compliant mechanism is designed to be intentionally flexible, and this flexibility allows the structure to function as a mechanism. ESO has been successfully applied to many structural topology optimization problems, such as reliability-based topology optimization as well as stiffness, frequency or buckling problems. Whereas topology optimizations based on homogenization and SIMP parameterization have been successfully applied for compliant mechanisms design, ESO approach has not been accomplished enough for the optimizations of these types of systems. This study presents a modified version of ESO procedure for topology optimization of compliant mechanisms design. First, In the compliant mechanism by force, the modified version is performed by adopting a methodology that applies an additive version instead of the traditional element removal technique. It is shown that an additive version of ESO must be adopted in order to achieve the optimum design, since the element removal method of the traditional ESO is not efficient in this type design. The methodology is based on a mutual energy concept for formulation of flexibility and the ESO method. The output displacement of compliant mechanism is introduced in order to define the flexibility using a mutual potential energy concept. Formulation of the rigidity is also derived in a way similar to the derivation of the flexibility. Next, a multi-criteria objective optimization problem is constructed for the design of compliant mechanisms. Second, thermal compliant mechanism is performed by ESO's element removal technique. In heat-activated compliant mechanisms, the deformation is caused by thermal expansion of material due to change of temperature distribution. Because of its complexity in heat transfer and thermal-elastic analysis, it is difficult to expect the configuration of a thermal compliant mechanism by this. Previous works on designing a thermal compliant mechanism were difficult to considered effects of convection heat transfer at the boundary or have used interpolated convection properties. In this work both conduction and convection heat transfer analysis are carried out to consider the steady state response of a thermal compliant mechanism. Force amplification of a structure are formulated using a spring model concept and topology optimization is applied to determine the structural layout of a compliant mechanism. Design examples are presented to validate the proposed methods. The optimal results are utilized to generate the structural configuration of compliant mechanism by force and thermal compliant mechanism.