유한요소 해석 기반 압전 변환기의 최적설계

Abstract

수중분야에서 압전 변환기는 수중물체의 탐지나 추적하는 수중청음기로 그 성능과 안정성이 입증되어 광범위하게 적용되어 왔다. 최근의 수중청음기는 성능뿐만 아니라 중량 및 크기 등 최적의 구조를 요구 받고 있다.

본 연구에서는 압전 변환기의 설계변수들이 성능에 미치는 영향을 실험 계획법으로 분석하였다. 실험계획법은 적은 실험으로 특성치에 대한 각각의 인자들의 영향분석을 할 수 있는 직교 배열표를 이용하였으며, 압전 변환기 성능은 유한요소법으로 검증하였다.

또한 본 연구에서는 효율적으로 압전 변환기를 최적설계하기 위한 방안으로서, 최적화 기법과 유한요소법을 연계한 프로세스 통합 및 설계 최적화 방법을 제시하였다. 최적화 기법은 상대적으로 적은 개체군으로 원하는 최적 성능을 얻을 수 있는 마이크로 유전자 알고리즘을 적용하여 압전 변환기의 최적 구조를 결정하였으며, 압전 변환기의 형상 변경에 대한 특성치는 고유진동수 해석과 주파수응답 해석을 병행하여 중요한 결과만을 빠른 시간에 도출할 수 있도록 하였다.

본 연구에서 제시된 프로세스 통합 및 설계 최적화 기법으로 압전 변환기를 최적화한 결과, 제시된 압전 변환기의 사양은 모두 만족하였으며, 초기 모델 대비 25.6%의 중량 감소 및 22.0%의 크기 감소를 얻었다. 따라서 본 연구에서 제시된 프로세스 통합 및 설계 최적화 방법은 향후 압전 변환기 개발 기간 단축에 기여하리라 본다.