의자 다리 부재 경량화를 위한 형상 최적설계 한양대학교 기계공학종합설계 ( 최적설계 ) 1 목차 I. 연구배경 II. 연구목적 III. 설계문제 정식화 1) 설계를 위한 가정 2) 설계 요구 사항 3) 설계 변 수 4) 최적설계문제 IV. 해석모델 실험계획법을 이용한 최적화 최적화 모델 및 고찰 2 I. 연구 배경 일상생활에서 많이 사용되고 쉽게 접할 수 있는 대상을 설계 3 II. 연구 목적 의자 다리 부재로 스테인리스 강을 사용할 경우 , PP 재질에 비하여 강도는 개선되지만 무게가 비실용적으로 무거워지는 단점이 있음 → 다리 부분의 형상최적설계를 통하여 부재의 강도는 유지하면서 무게를 최소화 하는것을 연구 목표로 함 4 III. 설계문제 정식화 – 설계를 위한 가정 150kg 성인이 20 m / s 2 의 가속도로 의자에 앉는 상황을 고려 → 가해지는 수직하중은 3000N 으로 설정 3000N 2) 의자의 자체중량은 고려하지 않음 Elastic Modulus Poisson’s ratio Yield Strength Density 193 – 200 MPa 0.290 215MPa 7860
수치해석4장 34번 , 35번, 42번이관수 교수님기계공학부문제34.``다음은`열교환기의`한`표면에서`시간에`따라`형성된`서리의`두께를`측정한`실험의`결과이다.t[min]2*************0Y[mm]0.6901.2181.4941.9082.0232.345다음`물음에`답하라.#(a)`주어진`자료를`y=a+bt+ct ^{2} 의`형태로`최소자승곡선을`구하라.#(b)`주어진`자료를`y= {at} over {b+t} 의`형태로`최소자승곡선을`구하라.#(c)`(a)`와`(b)`에서`구한`곡선의`결정계수를`구하고`결과에`대해`논의하라.(a)aN+b sum _{i=1} ^{6} t _{i} +c sum _{i=1} ^{6} t _{i} ^{2} = sum _{i=1} ^{6} Y _{i} ```````````````````````````````N=6`,` sum _{i=1} ^{6} t _{i} =570,` sum _{i=1} ^{6} t _{i} ^{2} =69900#a sum _{i=1} ^{6} t _{i} +b sum _{i=1} ^{6} t _{i} ^{2} +c sum _{i=1} ^{6} t _{i} ^{3} = sum _{i=1} ^{6} t _{i} Y _{i} ````````````` sum _{i=1} ^{6} t _{i} ^{3} =9633000,` sum _{i=1} ^{6} t _{i} ^{4} =1413150000#a sum _{i=1} ^{6} t _{i} ^{2} +b sum _{i=1} ^{6} t _{i} ^{3} +c sum _{i=1} ^{6} t _{i} ^{4} = sum _{i=1} ^{6} t _{i} ^{2} Y _{i} `````````` sum _{i=1} ^{6} Y _{i} =9.678,` sum _{i=1} ^{6} t _{i} Y _{i} =1085.97,` sum _{i=1} ^{6} t _{i} ^{2} Y _{i} =143390.7주어진`값들을`활용하여`a`,`b,`c`에`대한`연립방정식을`세우면##6a+23Y[1/min]1.44930.821020.6693440.524110.4943150.42644beta N+ alpha sum _{i=1} ^{6} T _{i} = sum _{i=1} ^{6} Y _{i} ``````````N=6````,` sum _{i=1} ^{6} T _{i} =0.104616``,`` sum _{i=1} ^{6} T _{i} ^{2} =0.00322452##beta sum _{i=1} ^{6} T _{i} + alpha sum _{i=1} ^{6} T _{i} ^{2} `= sum _{i=1} ^{6} T _{i} Y _{i} `````````````` sum _{i=1} ^{6} Y _{i} =4.38453``,`` sum _{i=1} ^{6} T _{i} Y _{i} =0.1080562#연립방정식을`구하면,`6 beta +0.104616 alpha =4.38453`,`0.104616 beta +0.00322452 alpha =0.1080562###이`연립방정식을`풀면` alpha =`22.57016405``,` beta =0.33722162````이다.`##`따라서`a= {1} over {beta } =2.96540892`,`b`=`a alpha =66.9297658.`최소자승곡선은`y= {at} over {b+t} = {2.96540892t} over {66.9297658+t} 이다.#(c)``````(a)`와`(b)`에서`구한`곡선의`결정계수를`구하고`결과에`대해`논의하라.##먼저`(a)`에서`구한`곡선에`대하여`결정계수를`구하여`보자.`##결정계수는```r ^{2} = {S _{t} -S} over {S _{t}} `로`주어지며,`S`=` sum _{i=1} ^{N} e _{i} ^{2} ,`````S _{t} = sum _{i=1} ^{N} (Y _{i} -Y _{mean} ) ^{2`} 이다.#t[min]2*************0Y[mm]0.6901.2181.4941.9082.0232.345y[mm]0.72031.15758`를`비교하였을때`,#(a)`에서`구한`최소자승곡선의`결정계수가`(b)`에서`구한`최소자승곡선의`결정계수보다##높은걸로`보아`(a)`에서`구한`최소자승곡선이`주어진`데이터를`더`정확하게`표현하는`곡선이라고##생각할수있다.고찰. 이 문항은 주어진 자료를 이용하여 2차식에 대한 최소자승곡선, 그리고 비선형방정식에 대한 최소자승곡선을 구하고 이들의 결정계수를 구하여 비교해보는 문제였다. 처음 (a)에서 2차식에 대한 최소자승곡선을 구할 때 주어진 자료로부터 3개의 연립방정식을 구하였고 이 방정식들을 LU분해법으로 풀어 2차방정식의 계수 a, b, c를 결정하였다. 이 과정에서 무시할수 없는 오차가 발생했는데, 그 이유로 LU분해법을 이용하여 계수 a,b,c를 구하는 과정에서 계수행렬의 성분 값이 편차가 굉장히 크기 때문에 계산을 진행하면서 오차가 증가하였던 것이 원인이라고 생각된다. 또한 (b)에서는 비선형 방정식에 대한 최소자승곡선을 구하였는데, 이때 주어진 비선형 방정식을 적절히 변형하고 치환을 이용하여 y=a+bx 꼴의 직선으로 만들고 이 직선의 계수 a 와 b를 구하여 비선형 방정식을 완성하였다.마지막으로 c에서 (a)에서 구한 최소자승곡선과 (b)에서구한 최소자승곡선의 결정계수를 구하였는데 (a)에서 구한 최소자승곡선의 결정계수가 (b)에서 구한 최소자승곡선의 결정계수보다 높은 사실로부터 (a)에서 구한 최소자승곡선이 (b)에서 구한 최소자승곡선보다 주어진데이터를 더 정확하게 표현할수있을것이라고 예상할수 있었다.문제`35.``자동차`window`regulator`system`에`사용되고`있는`플라스틱`소재의`피로시험`결과는`다음과`같다.`##(a)`` sigma `=`aN _{f} ^{b} `의`형태로`최소자승곡선을`구하라.##(b)`이것의`결정계수를`구하라.##(c)`구조물의`반복응력이`27Mpa`일`때`수명을`구하고,`이것이`설계`목표수명(5 TIMES `10 ^{6`} cycle)#``````````을`만족하는`반복응력을`구하라.순서1234567수명(15`,`` sum _{i=1} ^{15} u _{i} =83.57791``,` sum _{i=1} ^{15} u _{i} ^{2} =472.6483,`` sum _{i=1} ^{15} u _{i} y _{i} =120.3999`` sum _{i=1} ^{15} y _{i} =21.700121##최송자승오차`S``가`최소가`되도록`S를` beta 와`b`에`대하여`미분`하면`다음의`두가지`식을`얻을수`있다.#beta N+b sum _{i=1} ^{15} u _{i} = sum _{i=1} ^{15} y _{i} ``,`` beta sum _{i=1} ^{15} u _{i} +b sum _{i=1} ^{15} u _{i} ^{2} = sum _{i=1} ^{15} u _{i} y _{i} `그리고`위에서`구한`값들을`대입하면##15 beta +83.57791b`=`21.700121```,``83.57791 beta +472.6483b=120.3999`이제`이`두식을`연립하면##beta `=``1.8548525```,```b`=-0.0732571```,``한편` beta `=`loga`이므로`,`a`=`10 ^{beta `} =``71.590022```이다.##따라서,`원하는`최소`자승곡선은` sigma `=`71.590022N _{f} ^{`-0.0732571} 으로`얻어진다.(b)`이것의`결정계수를`구하여라.`##결정계수`r ^{2} = {S _{t} -S} over {S _{t}} `이며,`여기서`S`=` sum _{i=1} ^{N} e _{i} ^{2} ``,``S _{t} = sum _{i=1} ^{N} (y _{i} -y _{mean} ) ^{2} 이다.##계산하여`이`값들을`다`구하면,`S=11.7787``,`S _{t`} =167.5999.```따라서`결정계수`r ^{2} =0.929721 CONG 92.97%(c)`구조물의`반복응력이`27Mpa`일`때`수명을`구하고,`이것이`설계목표수명##5` TIMES `10 ^{6} `cycle`을`만족하는`반계수r ^{2}은 0.9297 로서 정확도는 92.97% 로 구해졌다. 실제 결정계수는 이 값에서 어느정도 오차를 수반할것이라 예상되었는데, 그 이유는 15개의 데이터를 이용하여S`와`S _{t}를 계산하는과정에서 마무리오차가 발생하였기 때문이다. 마지막으로, 위에서 구해진 최소자승곡선을 이용하여 반복응력이 27Mpa 로 주어졌을때의 설계수명을 구하였더니,6.03748 TIMES 10 ^{6} (cycle)`이었다. 이 수명은 주어진 데이터 26.03 Mpa 과 27.946 Mpa 에서의 수명을 고려해봤을 때 타당한 값일 것이라 생각 할 수 있었다.또한, 설계목표수명이5 TIMES 10 ^{6} `(cycle)`로 주어졌을 경우 요구되는 반복응력을 최소자승곡선을 이용하여 구하였더니 23.12626Mpa 이었다. 주어진 실험데이터를 관찰해보면 반복응력 23.99Mpa에서 수명은 1728694(cycle) 이고, 반복응력 22.98Mpa에서 수명은 2715597 cycle 로서 설계목표수명이5 TIMES 10 ^{6} `(cycle)` 일 때 반복응력은 22.98Mpa 보다 작아야 할것으로 예상되나, 최소자승곡선을 이용하여 구한 결과는 22.98Mpa 보다 높은 23.12626Mpa 로 나왔다. 따라서 , 주어진 최소자승곡선을 이용하여 반복응력과 설계목표수명을 구한다면 그 결과는 신뢰 할 수 없을 것 이라고 생각되었다.문제42.``다음`자료를`최소자승법을`사용하여`y=c _{1} +c _{2} cos( {pi x} over {10} )+c _{3} e ^{{pi x} over {10}} 의`형태로`나타내어라.x01.33.15.97.510.214.418.7y3.24.75.97.39.611.413.628.4#풀이)`주어진`함수는``f _{1} (x)=1``,`f _{2} (x)=cos( {pi x} over {10} )``,`f _{3} (x)=e ^{{pi x} over {10}} `이다.이`문제에서`최소자승곡선에`대하여`상수`c _{1} 과`c _{2`} `그리고`}}