KR101327111B1 - Topology optimization method of linking finite element analysis program and numerical analysis program and design method for ultrasonic transducer using the same - Google Patents

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KR101327111B1
KR101327111B1 KR1020120058625A KR20120058625A KR101327111B1 KR 101327111 B1 KR101327111 B1 KR 101327111B1 KR 1020120058625 A KR1020120058625 A KR 1020120058625A KR 20120058625 A KR20120058625 A KR 20120058625A KR 101327111 B1 KR101327111 B1 KR 101327111B1
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이수일
김지수
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Abstract

The present invention relates to a method for phase optimization linked with a finite-element analysis program and a numerical value analysis program and a method for designing the phase optimization of an ultrasonic transducer by using the same. The present invention performs dynamic feature analysis and the modeling of an analyzed model in the finite-element analysis program and performs design variable update for phase optimization in the numerical value analysis program. Therefore, with the invention, phase optimization is possible even in a field in which the phase optimization is impossible due to a complex initial shape. In addition, the phase optimization is performed by using the numerical value analysis program so that a reasonable phase optimization result is obtained by applying various phase optimization algorithm to even a model with a physically impossible result. [Reference numerals] (S2100) Determining design variable and purpose function of model to be interpreted;(S2200) Modeling model to be interpreted by using finite-element analysis program;(S2300) Interpreting motion feature of model by using finite-element analysis program;(S2400) Transmitting motion feature interpreted in finite-element analysis program to numerical value analysis program;(S2500) Renewing design variable by using phase optimization algorithm of numerical value analysis program;(S2600) Receiving design variable;(S2700) Transmitting renewed design variable of numerical value analysis program to finite-element analysis program;(S2800) End optimization

Description

유한요소해석 프로그램과 수치해석 프로그램을 연계한 위상최적화 방법 및 이를 이용한 초음파 트랜스듀서의 위상최적화 설계 방법 {Topology optimization method of linking finite element analysis program and numerical analysis program and design method for ultrasonic transducer using the same}Topology optimization method of linking finite element analysis program and numerical analysis program and design method for ultrasonic transducer using the same}

본 발명은 유한요소해석 프로그램과 수치해석 프로그램을 연계한 위상최적화 방법 및 이를 이용한 초음파 트랜스듀서의 위상최적화 설계 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 해석할 모델의 모델링과 동적 특성 해석은 유한요소해석 프로그램에서 수행하며 위상최적화를 위한 설계 변수 갱신은 수치해석 프로그램에서 수행하는 유한요소해석 프로그램과 수치해석 프로그램을 연계한 위상최적화 방법 및 이를 이용한 초음파 트랜스듀서의 위상최적화 설계 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a phase optimization method in which a finite element analysis program and a numerical analysis program are linked, and a method of designing a phase optimization of an ultrasonic transducer using the same. More specifically, modeling and dynamic characteristic analysis of a model to be analyzed are performed in a finite element analysis program. Updating design variables for phase optimization is related to a phase optimization method in which a finite element analysis program and a numerical analysis program performed in a numerical analysis program and a phase optimization design method of an ultrasonic transducer using the same.

위상 최적화란 모델의 초기 형상에 관계없이 목적 함수에 따라 모델을 최적화하는 방법이다. 위상 최적화의 목적 함수는 최적화하고자 하는 유한 요소에 대하여 설정되며, 합리적인 해를 구하기 위해 설계 제한 조건이 수반된다. 즉, 원하는 조건에 대하여 인위적인 변수들 및 설계 제한을 설정하고 위상 최적화 알고리즘을 거침으로써 원하는 솔루션을 도출해 낼 수 있다. Phase optimization is a method of optimizing the model according to the objective function regardless of the initial shape of the model. The objective function of the phase optimization is set for the finite element to be optimized and is accompanied by design constraints to find a reasonable solution. In other words, it is possible to derive the desired solution by setting artificial variables and design constraints for the desired condition and going through a phase optimization algorithm.

위상 최적화는 다양한 프로그램을 이용하여 실시할 수 있으며, 예를 들어 수치 해석 프로그램을 이용할 수 있다. 수치 해석이란 수치적인 근사값을 구하는 수학적 방법이다. 정확한 해를 구하는 것이 불가능한 경우에 계산의 방법 및 수치 계산에 수반하는 오차 평가 없이 제어를 위해 이론이나 기법을 이용하여 해를 구할 수 있다. 수치 해석 프로그램을 이용한 위상 최적화는 공학, 물리학, 경제학 등 다양한 분야에서 활용되고 있으며, 물리적으로 결과가 불가능한 경우에도 위상 최적화를 수행할 수 있다. 하지만, 수치해석 프로그램을 이용하여 위상 최적화를 수행하는 경우 결과값을 직관적으로 제시할 수 없다는 문제가 있다. Phase optimization can be performed using various programs, for example, a numerical analysis program can be used. Numerical analysis is a mathematical method of numerical approximation. In cases where it is impossible to obtain an accurate solution, the solution can be solved using theory or techniques for control without evaluating the method of calculation and the error associated with numerical calculation. Topology optimization using numerical analysis program is used in various fields such as engineering, physics, economics, etc., and can perform phase optimization even when the physical result is impossible. However, there is a problem that the result value cannot be presented intuitively when performing the phase optimization using a numerical analysis program.

직관적인 결과값을 얻기 위해 유한요소해석(Finite element analysis, FEA)이라는 컴퓨터 시뮬레이션기술을 이용하는 것을 고려할 수 있다. 유한요소해석은 일반적으로 기계적 대상물이나 시스템에서 응력과 변위를 결정하는 데 이용하는데, 공학 분야에서는 컴퓨터를 이용해 모델링하고, 이에 필요한 물성과 하중과 같은 외부적인 요인들을 설정하고 시각화된 결과를 얻는다. 유한요소해석 프로그램으로 위상 최적화를 하는 경우 모델 내부 단면을 볼 수 있기 때문에 해석 결과를 직관적으로 알 수 있다. 하지만, 유한요소해석 프로그램은 해석의 수행시 많은 메모리가 할당되므로 위상 최적화에 바로 이용하기에는 어려움이 있다. Consider using a computer simulation technique called finite element analysis (FEA) to obtain intuitive results. Finite element analysis is commonly used to determine stresses and displacements in mechanical objects or systems. In engineering, computer modeling is used to set external factors such as physical properties and loads, and to obtain visualized results. When optimizing the phase with the finite element analysis program, the internal section of the model can be seen, so the result of the analysis is intuitive. However, the finite element analysis program is difficult to use immediately for phase optimization because a lot of memory is allocated when the analysis is performed.

따라서 물리적으로 불가능한 결과가 나온 모델이나 초기 모델이 복잡한 형상을 가지는 모델의 경우에도 위상 최적화를 수행할 수 있으면서, 그 결과값에 대해서도 직관적으로 제시할 수 있는 위상 최적화 방법이 필요하다. Therefore, a phase optimization method capable of performing phase optimization even in a model having a physically impossible result or a model in which an initial model has a complicated shape and intuitively presenting the result is needed.

본 발명의 목적은 해석하고자 하는 모델의 초기 형상에 관계없이 위상최적화를 적용할 수 있도록 하며, 위상최적화의 결과가 물리적으로 불가능하게 나온 모델에 대해서도 합리적인 위상최적화 결과를 얻을 수 있도록 하는 유한요소해석 프로그램과 수치해석 프로그램을 연계한 위상최적화 방법 및 이를 이용한 초음파 트랜스듀서의 위상최적화 설계 방법을 제공하는 것이다. It is an object of the present invention to apply a phase optimization irrespective of the initial shape of a model to be analyzed, and to obtain a rational phase optimization program even for a model in which the result of the phase optimization is physically impossible. This paper provides a phase optimization method in conjunction with a numerical analysis program and a method for designing a phase optimization method for an ultrasonic transducer using the same.

위와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 유한요소해석 프로그램과 수치해석 프로그램을 연계한 위상최적화 방법은 유한요소해석 프로그램 및 수치해석 프로그램이 구동 가능한 컴퓨터에서 구현되는 것으로, 해석할 모델의 설계 변수, 목적 함수를 결정하는 단계, 유한요소해석 프로그램을 이용하여 해석할 모델을 모델링하는 단계, 유한요소해석 프로그램을 이용하여 모델의 동적 특성을 해석하는 단계, 유한요소해석 프로그램에서 해석한 모델의 동적 특성을 수치해석 프로그램으로 전송하고 수치해석 프로그램에 코딩된 위상최적화 알고리즘을 이용하여 설계 변수를 갱신하는 단계 및 설계변수가 수렴하면 위상최적화를 종료하고 설계변수가 수렴하지 않으면 수치해석 프로그램에서 갱신된 설계 변수를 유한요소해석 프로그램으로 전송하여 모델의 동적 특성을 해석하는 단계에서부터 다시 수행하는 단계를 포함한다.In order to achieve the above object, the phase optimization method in which the finite element analysis program and the numerical analysis program according to the embodiment of the present invention are implemented in a computer capable of driving the finite element analysis program and the numerical analysis program, Determining design variables, objective functions, modeling the model to be analyzed using the finite element analysis program, analyzing the dynamic characteristics of the model using the finite element analysis program, Transfer the dynamic characteristics to the numerical program and update the design variables using the phase optimization algorithm coded in the numerical program. If the design variables converge, the phase optimization is terminated. If the design variables do not converge, the numerical program is updated. Finite element analysis program for design variables And transmitting the data to the dynamic characteristics of the model and performing the process again.

본 발명의 실시예에 따른 유한요소해석 프로그램과 수치해석 프로그램을 연계한 위상최적화 방법은 유한요소해석 프로그램과 수치해석 프로그램이 상호간에 데이터를 전송하는 할 때, 전송되는 데이터가 타 프로그램에서 판독 가능하도록 변환하는 가상의 버퍼링부를 이용할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, a phase optimization method in which a finite element analysis program and a numerical analysis program are linked to each other converts data to be readable by another program when the finite element analysis program and the numerical analysis program transmit data to each other. A virtual buffering unit can be used.

본 발명의 실시예에 따른 유한요소해석 프로그램과 수치해석 프로그램을 연계한 위상최적화 방법은 유한요소해석 프로그램은 컴솔(Comsol)이고, 수치해석 프로그램은 매트랩(Matlab)일 수 있다. According to an embodiment of the present invention, a method of optimizing a phase by linking a finite element analysis program and a numerical analysis program may be a finite element analysis program, and a numerical analysis program may be a matlab.

본 발명의 실시예에 따른 유한요소해석 프로그램과 수치해석 프로그램을 연계한 위상최적화 방법은 유한요소해석 프로그램 및 수치해석 프로그램이 구동 가능한 컴퓨터에서 구현되는 것으로, 해석할 모델의 설계 변수, 목적 함수를 결정하는 단계, 유한요소해석 프로그램을 이용하여 해석할 모델을 모델링하는 단계, 유한요소해석 프로그램을 이용하여 모델을 정식화하여 유한요소해석을 위한 미분방정식을 구하고 미분방정식에 따른 고유치, 모델의 각 노드(node)의 변위, 가속도, 속도, 질량, 강성, 댐핑 행렬, 고유진동수를 구하여 모델의 동적 특성을 해석하는 단계, 유한요소해석 프로그램에서 해석한 모델의 동적 특성을 수치해석 프로그램으로 전송하는 단계, 수치해석 프로그램에 코딩된 위상최적화 알고리즘을 이용하여 설계 변수를 갱신하는 단계 및 설계변수가 수렴하면 위상최적화를 종료하고 설계변수가 수렴하지 않으면 수치해석 프로그램에서 갱신된 설계 변수를 유한요소해석 프로그램으로 전송하여 모델의 동적 특성을 해석하는 단계에서부터 다시 수행하는 단계를 포함한다.The topology optimization method in which the finite element analysis program and the numerical analysis program in accordance with an embodiment of the present invention are implemented in a computer that can run the finite element analysis program and the numerical analysis program. Steps, modeling the model to be analyzed using the finite element analysis program, formulating the model using the finite element analysis program, obtaining differential equations for finite element analysis, eigenvalues according to the differential equations, and each node of the model Analyzing the dynamic characteristics of the model by calculating the displacement, acceleration, velocity, mass, stiffness, damping matrix, and natural frequency of the model, and transmitting the dynamic characteristics of the model analyzed by the finite element analysis program to the numerical analysis program. To update the design variables using the phase optimization algorithm If the system and design variables converge, the phase optimization is terminated. If the design variables do not converge, the numerical analysis program transfers the updated design variables to the finite element analysis program, and then executes the analysis from the dynamic characteristics of the model. .

본 발명의 실시예에 따른 유한요소해석 프로그램과 수치해석 프로그램을 연계한 위상최적화 방법에서 수치해석 프로그램에 코딩된 위상최적화 알고리즘을 이용하여 설계 변수를 갱신하는 단계는 고유치의 진동 모드 중에서 타겟 모드를 추적하는 단계, 타겟 모드의 고유치를 이용하여 목적 함수를 수정하는 단계 및 수정된 목적 함수를 설계 변수로 미분하여 민감도를 구하고 민감도에 따라 설계변수를 갱신하는 단계를 구비할 수 있다. 고유치의 진동 모드 중에서 타겟 모드를 추적하는 단계는 MAC(Modal Assurance Criterion)을 이용할 수 있다. In the phase optimization method in which the finite element analysis program and the numerical analysis program according to an embodiment of the present invention are used, the updating of the design variable using the phase optimization algorithm coded in the numerical program is performed by tracking the target mode among the vibration modes of the eigenvalues. The method may include: modifying the objective function using the eigenvalue of the target mode, and differentiating the modified objective function into the design variable to obtain a sensitivity and updating the design variable according to the sensitivity. The tracking of the target mode among the vibration modes of the eigenvalues may use Modal Assurance Criterion (MAC).

본 발명의 실시예에 따른 유한요소해석 프로그램과 수치해석 프로그램을 연계한 위상최적화 방법에서 민감도에 따라 설계 변수를 갱신하는 단계는 OC(Optimal Criteria)를 이용하여 설계 변수를 갱신할 수 있다. 또한 설계 변수를 갱신할 때 체적 제한 조건을 설정할 수 있다. In the phase optimization method in which the finite element analysis program and the numerical analysis program according to the embodiment of the present invention update the design variable according to the sensitivity, the design variable may be updated using an OC (Optimal Criteria). You can also set volume constraints when updating design variables.

본 발명의 실시예에 따른 유한요소해석 프로그램과 수치해석 프로그램을 연계한 초음파 트랜스듀서 위상최적화 설계 방법은 유한요소해석 프로그램 및 수치해석 프로그램이 구동 가능한 컴퓨터에서 구현되는 것으로, 트랜스듀서의 설계 변수를 몸체부의 유한요소 밀도로 하고, 목적 함수와 목표 주파수를 결정하는 단계, 유한요소해석 프로그램을 이용하여 트랜스듀서를 모델링하는 단계, 유한요소해석 프로그램을 이용하여 모델링한 트랜스듀서를 정식화하여 유한요소해석을 위한 미분방정식을 구하고 미분방정식에 따른 고유치, 모델의 각 노드(node)의 변위, 가속도, 속도, 질량, 강성, 댐핑 행렬, 고유진동수를 구하여 모델의 동적 특성을 해석하는 단계, 유한요소해석 프로그램에서 해석한 모델의 동적 특성을 수치해석 프로그램으로 전송하는 단계, 수치해석 프로그램에 코딩된 위상최적화 알고리즘을 이용하여 설계 변수를 갱신하는 단계 및 설계변수가 수렴하면 위상최적화를 종료하고 설계변수가 수렴하지 않으면 수치해석 프로그램에서 갱신된 설계 변수를 유한요소해석 프로그램으로 전송하여 모델의 동적 특성을 해석하는 단계에서부터 다시 수행하는 단계를 포함한다. According to an embodiment of the present invention, an ultrasonic transducer phase optimization design method in which a finite element analysis program and a numerical analysis program are linked is implemented in a computer capable of driving a finite element analysis program and a numerical analysis program. Defining the objective function and the target frequency, modeling the transducer using the finite element analysis program, formulating the transducer modeled using the finite element analysis program, and deriving the derivative for finite element analysis. Analyze the dynamic characteristics of the model by obtaining equations, eigenvalues according to differential equations, displacements of each node of the model, acceleration, velocity, mass, stiffness, damping matrix, and natural frequency, and analyzed by finite element analysis program. Transfer the dynamic characteristics of the model to the numerical program Update the design variables using the phase optimization algorithm coded in the numerical analysis program. If the design variables converge, the phase optimization is terminated. If the design variables do not converge, the updated design variables are converted into the finite element analysis program. Transmitting and analyzing the dynamic characteristics of the model.

본 발명의 실시예에 따른 유한요소해석 프로그램과 수치해석 프로그램을 연계한 초음파 트랜스듀서 위상최적화 설계 방법에서 수치해석 프로그램에 코딩된 위상최적화 알고리즘을 이용하여 설계 변수를 갱신하는 단계는 고유치의 진동 모드 중에서 타겟 모드를 추적하는 단계, 타겟 모드의 고유치를 이용하여 목적 함수를 수정하는 단계 및 수정된 목적 함수를 설계 변수로 미분하여 민감도를 구하고 민감도에 따라 설계변수를 갱신하는 단계를 구비할 수 있다. 고유치의 진동 모드 중에서 타겟 모드를 추적하는 단계는 MAC(Modal Assurance Criterion)을 이용할 수 있다. In the ultrasonic transducer phase optimization design method in which a finite element analysis program and a numerical analysis program are linked according to an embodiment of the present invention, the step of updating a design variable by using a phase optimization algorithm coded in the numerical analysis program is a target among eigen oscillation modes. Tracing the mode, modifying the objective function using the eigenvalue of the target mode, and differentiating the modified objective function into the design variable to obtain a sensitivity and updating the design variable according to the sensitivity. The tracking of the target mode among the vibration modes of the eigenvalues may use Modal Assurance Criterion (MAC).

본 발명의 실시예에 따른 유한요소해석 프로그램과 수치해석 프로그램을 연계한 초음파 트랜스듀서 위상최적화 설계 방법에서 민감도에 따라 설계 변수를 갱신하는 단계는 OC(Optimal Criteria)를 이용하여 설계 변수를 갱신할 수 있다. 또한 설계 변수를 갱신할 때 초음파 트랜스듀서의 몸체부의 체적이 0이 되는 것을 막기 위해 몸체부에 밀도가 항상 1인 보존 지역을 설정하는 방법으로 체적 제한 조건을 설정할 수 있다. 보존 지역은 몸체부 중앙의 상부와 하부로 할 수 있다. In the ultrasonic transducer phase optimization design method in which the finite element analysis program and the numerical analysis program according to an embodiment of the present invention are updated, the updating of the design variable according to the sensitivity may be performed by using an OC (Optimal Criteria). . In addition, the volume constraint can be set by setting a retention zone with a density of always one in the body to prevent the volume of the body of the ultrasonic transducer from being updated when the design variable is updated. The preservation area may be at the top and bottom of the center of the body.

본 발명에 따른 유한요소해석 프로그램과 수치해석 프로그램을 연계한 위상최적화 방법 및 이를 이용한 초음파 트랜스듀서의 위상최적화 설계 방법은 다양한 초기 형상의 모델에 대해 유한요소해석 프로그램을 이용하여 모델링을 하므로 그동안 복잡한 초기 형상 때문에 위상최적화가 불가능했던 분야에서도 위상최적화가 가능하다. 또한 위상최적화를 수치해석 프로그램을 이용하여 수행하므로 결과가 물리적으로 불가능한 결과가 나온 모델에 대해서도 다양한 위상최적화 알고리즘을 적용하여 합리적인 위상최적화 결과를 얻을 수 있다.The phase optimization method in which the finite element analysis program and the numerical analysis program according to the present invention and the phase optimization design method of the ultrasonic transducer using the same are modeled using the finite element analysis program for various initial shape models. Therefore, the phase optimization is possible even in the field where the phase optimization was impossible. In addition, since the phase optimization is performed using a numerical analysis program, it is possible to obtain reasonable phase optimization results by applying various phase optimization algorithms to a model that results in physically impossible results.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 유한요소해석 프로그램과 수치해석 프로그램을 연계한 위상최적화 방법을 구현할 수 있는 컴퓨터를 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 유한요소해석 프로그램과 수치해석 프로그램을 연계한 위상최적화 방법을 나타내는 순서도이다.
도 3은 MAC(Modal Assurance Criterion)의 개념을 나타내는 도면이다.
도 4는 OC(Optimal Criteria) 방법을 이용하여 설계 변수를 갱신하는 개념을 나타내는 도면이다.
도 5는 직육면체 형상으로 단순화된 초음파 트랜스듀서의 측면을 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 6은 보존 지역을 설정한 초음파 트랜스듀서의 위상최적화 결과를 나타내는 도면이다.
도 7은 보존 지역을 설정한 초음파 트랜스듀서의 위상최적화 결과에 따른 최적화 형상을 나타내는 도면이다.
도 8은 최적화 형상으로 제작된 초음파 트랜스듀서를 나타내는 도면이다.
도 9는 초음파 트랜스듀서의 진폭을 레이져 바이브로미터를 이용하여 측정한 결과를 나타내는 도면이다.
도 10은 초음파 트랜스듀서의 가속 수명 실험을 위한 안전 챔버를 나타내는 도면이다.
도 11은 매 10시간 마다 초음파 트랜스듀서의 압력과 비압력상태의 변위를 나타내는 도면이다.
1 is a block diagram illustrating a computer capable of implementing a phase optimization method in which a finite element analysis program and a numerical analysis program according to an embodiment of the present invention are implemented.
2 is a flowchart illustrating a phase optimization method in which a finite element analysis program and a numerical analysis program are linked according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram illustrating the concept of Modal Assurance Criterion (MAC).
4 is a diagram illustrating a concept of updating a design variable by using an OC method.
5 conceptually illustrates the side of an ultrasonic transducer simplified into a cuboid shape.
6 is a diagram illustrating a phase optimization result of an ultrasonic transducer in which a storage area is set.
FIG. 7 is a diagram illustrating an optimized shape according to a phase optimization result of an ultrasonic transducer in which a storage area is set.
8 is a view showing an ultrasonic transducer manufactured in an optimized shape.
9 is a view showing the results of measuring the amplitude of the ultrasonic transducer using a laser vibrometer.
10 is a view showing a safety chamber for the accelerated life test of the ultrasonic transducer.
FIG. 11 is a diagram showing displacement of pressure and non-pressure state of the ultrasonic transducer every 10 hours.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이 때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Note that, in the drawings, the same components are denoted by the same reference symbols as possible. Further, the detailed description of known functions and configurations that may obscure the gist of the present invention will be omitted. For the same reason, some of the components in the drawings are exaggerated, omitted, or schematically illustrated.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 유한요소해석 프로그램과 수치해석 프로그램을 연계한 위상최적화 방법을 구현할 수 있는 컴퓨터를 나타내는 블록도이다. 1 is a block diagram illustrating a computer capable of implementing a phase optimization method in which a finite element analysis program and a numerical analysis program according to an embodiment of the present invention are implemented.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 컴퓨터(100)는 입력부(110), 표시부(120), 메모리부(130), 제어부(140)를 포함한다. 입력부(110)는 컴퓨터(100)를 사용하는 사용자가 컴퓨터(100)를 동작시키기 위해 사용한다. 입력부(110)는 키보드, 마우드 등이 될 수 있다. 표시부(120)는 컴퓨터(100)의 동작 상태를 나타낸다. 표시부(120)는 모니터(monitor) 등이 될 수 있다. 메모리부(130)는 데이터 저장을 위해 사용된다. 메모리부(130)에는 유한요소해석 프로그램 및 수치해석 프로그램이 저장된다. 본 실시예에서 유한요소해석 프로그램은 컴솔(Comsol)이고 수치해석 프로그램은 매트랩(Matlab)일 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 제어부(140)는 컴퓨터(100)가 사용자의 입력 사항을 수행할 수 있도록 제어한다. 본 실시예에서 제어부(140)는 유한요소해석 프로그램과 수치해석 프로그램이 잘 구동될 수 있도록 제어하며, 유한요소해석 프로그램과 수치해석 프로그램이 상호간에 데이터를 전송할 수 있도록 제어한다.
As shown in FIG. 1, the computer 100 according to an embodiment of the present invention includes an input unit 110, a display unit 120, a memory unit 130, and a controller 140. The input unit 110 is used by a user who uses the computer 100 to operate the computer 100. The input unit 110 may be a keyboard, a mouse, or the like. The display unit 120 indicates an operating state of the computer 100. The display unit 120 may be a monitor or the like. The memory unit 130 is used for data storage. The memory unit 130 stores the finite element analysis program and the numerical analysis program. In the present embodiment, the finite element analysis program may be a comsol and the numerical analysis program may be matlab, but is not limited thereto. The controller 140 controls the computer 100 to perform user input. In the present embodiment, the controller 140 controls the finite element analysis program and the numerical analysis program to be driven well, and controls the finite element analysis program and the numerical analysis program to transmit data to each other.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 유한요소해석 프로그램과 수치해석 프로그램을 연계한 위상최적화 방법을 나타내는 순서도이며, 도 3은 MAC(Modal Assurance Criterion)의 개념을 나타내는 도면이고, 도 4는 OC(Optimal Criteria) 방법을 이용하여 설계 변수를 갱신하는 개념을 나타내는 도면이다. FIG. 2 is a flowchart illustrating a phase optimization method in which a finite element analysis program and a numerical analysis program are linked according to an embodiment of the present invention. FIG. 3 is a diagram illustrating a concept of Modal Assurance Criterion (MAC), and FIG. 4 is an OC (Optimal). The concept of updating a design variable using the Criteria) method is shown.

도 2에 도시된 바와 같이, 유한요소해석 프로그램과 수치해석 프로그램을 연계하여 위상최적화를 수행하기 위해서는 우선 해석할 모델의 설계 변수와 목적 함수를 결정한다(s2100). 설계 변수는 적용되는 위상최적화 방식에 따라 달라진다. 위상최적화 방식은 균질화법, 밀도법, 레벨셋 방법 등이 있다. 균질화법은 설계 영역에 미소 구조를 도입하여 최적화를 수행한다. 전체 설계 영역을 무수히 많은 미소 단위 셀로 나누고 각 단위 셀의 일부를 빈 공간으로 처리한다. 단위셀이 갖는 강성은 각 단위 셀의 빈 공간을 뺀 나머지 부분에 비례하게 된다. 그리고 각 전체구조의 기계적 강성을 균질화법에 의해 계산을 수행하며 최적화 모델을 찾는 방법이다. 밀도법은 Rozvany와 Zhou에 의해 제시되었으며 SIMP라고도 불린다. 밀도법은 유한요소 모델의 각 요소의 밀도를 설계변수로 고려하여 전체 문제를 밀도 분포 문제로 바꾼다. 밀도분포가 정해지면 0과 1사이의 중간값을 갖는 요소가 문제가 된다. 이것을 해결하기 위해 밀도값에 대하여 벌칙화(penalization)를 한다. 레벨 셋 방법은 구조물의 경계를 움직이며 위상을 변화시키게 되는데 재료와 비재료 영역의 경계를 명확하게 표현할 수 있다. 또 다른 방법 중의 하나인 진화론적 구조 최적화는 생태계 생물의 진화를 모방하여 요소응력과 von Mises 응력과의 비율에 따라 비효율적인 요소를 없애나가는 방식이다. 목적 함수는 주파수 최대화에 대한 함수로 하거나 주파수 이동에 관한 함수 등으로 할 수 있다. As shown in FIG. 2, in order to perform a phase optimization by linking a finite element analysis program and a numerical analysis program, first, a design variable and an objective function of a model to be analyzed are determined (s2100). The design parameters depend on the phase optimization method applied. Phase optimization methods include homogenization, density, and levelset methods. Homogenization performs optimization by introducing microstructures in the design domain. Divide the entire design area into a myriad of small unit cells and treat some of each unit cell as empty space. The stiffness of the unit cell is proportional to the rest of the unit cell minus the empty space. And the mechanical stiffness of each structure is calculated by the homogenization method and the optimization model is found. The density method is presented by Rozvany and Zhou and is also called SIMP. The density method considers the density of each element in the finite element model as a design variable and turns the entire problem into a density distribution problem. Once the density distribution is established, the element with a median between 0 and 1 becomes a problem. To solve this problem, penalization of density values is performed. The level set method changes the phase by moving the boundary of the structure, and can clearly express the boundary between the material and non-material regions. Another method, evolutionary structural optimization, mimics the evolution of ecosystem organisms and eliminates inefficient factors in proportion to element stress and von Mises stress. The objective function may be a function of frequency maximization or a function of frequency shift.

설계 변수와 목적 함수가 결정되면, 유한요소해석 프로그램을 이용하여 해석할 모델을 모델링한다(S2200). 모델링이란 입체 형상을 컴퓨터 내부의 가상공간에 만들어내는 것으로, 일반적으로 유한요소해석 프로그램에서는 다양한 모델링 방법을 제공한다. When the design variable and the objective function are determined, the model to be analyzed is modeled using the finite element analysis program (S2200). Modeling is the creation of three-dimensional shapes in the virtual space inside the computer. Generally, finite element analysis programs provide various modeling methods.

모델링이 완료되면, 유한요소해석 프로그램을 이용하여 모델의 동적 특성을 해석한다(S2300). 모델의 동적 특성을 해석하기 위해서는 모델링한 모델을 정식화한다. 정식화란 유한요소해석을 위한 미분방정식을 구하는 것을 의미한다. 정식화된 미분방정식을 이용하여 고유치, 모델의 각 노드(node)의 변위, 가속도, 속도, 질량, 강성, 댐핑 행렬, 고유진동수를 구한다. When the modeling is completed, the dynamic characteristics of the model are analyzed using the finite element analysis program (S2300). To analyze the dynamic characteristics of the model, model the modeled model. Formalization means to find differential equations for finite element analysis. The differential equation is used to find the eigenvalue, displacement of each node of the model, acceleration, velocity, mass, stiffness, damping matrix, and natural frequency.

유한요소해석 프로그램에서 모델의 동적 특성을 해석하는 원리에 대해서는 이미 공지된 내용이므로 자세한 설명은 생략하고, 이하에서 고유치를 구하는 것에 대해서만 간략하게 설명한다. 고유치 문제 기본적으로 편미분방정식을 이용하여 해석을 수행하게 된다. 편미분 방정식은 아래와 같다.
Since the principle of analyzing the dynamic characteristics of the model in the finite element analysis program is already known, a detailed description thereof will be omitted, and only the eigenvalues will be briefly described below. Eigenvalue Problems Basically, partial differential equations are used to perform the analysis. The partial differential equation is

Figure 112012043830331-pat00001
Figure 112012043830331-pat00001

수학식 1에서

Figure 112012043830331-pat00002
는 고유치의 linearization point이다. 첫번째 식의 우항 f는 source term으로 모델의 경계값에 의하여 결정된다. 수학식 1을 일반적인 형태로 쓰면 수학식 2와 같은 형태로 표현할 수 있다.
In Equation (1)
Figure 112012043830331-pat00002
Is the linearization point of the eigenvalue. The right side f of the first equation is the source term, determined by the model's bounds. If Equation 1 is used in a general form, it may be expressed as Equation 2.

Figure 112012043830331-pat00003
Figure 112012043830331-pat00003

수학식 2에서 E는 질량 행렬, D는 댐핑 행렬, K는 강성행렬을 뜻하면 NF

Figure 112012043830331-pat00004
는 외부 가진을 뜻한다. U는 모델의 변위를 뜻하며, E, D, K, N은 솔루션 벡터 U를 계산하기 위하여 이용한다. 만약 E=0이라면 모델은 선형 고유치 문제가 되며 0이 아닌 경우에는 이차 고유치 문제로 표현한다. 비선형 고유치 문제를 풀기 위해서 유한요소해석 프로그램에서는 이차식을 선형으로 근사하여 식을 다시 유도한다. 그 이후 수학식 2는
Figure 112012043830331-pat00005
로 간략히 표현할 수 있다.In Equation 2 E is the mass matrix, D is the damping matrix, K is the stiffness matrix means if N F and
Figure 112012043830331-pat00004
Means externally excited. U is the displacement of the model, and E, D, K, N are used to calculate the solution vector U. If E = 0, then the model is a linear eigenvalue problem. In order to solve the nonlinear eigenvalue problem, the finite element analysis program derives the equation by linearly approximating the quadratic equation. After that, Equation 2 is
Figure 112012043830331-pat00005
Can be briefly expressed as:

경계 조건이나 재료의 물성치에 비선형 함수가 포함 되었을 때 고유값 계산에 문제가 있을 경우가 있다. 이러한 경우는 이차 고유값 문제의 series로 처리할 수 있다. 유한요소해석 프로그램은 고유값 linearization point

Figure 112012043830331-pat00006
주위에 선형 근사식의 series로 고유값을 계산한다.Problems in calculating eigenvalues sometimes arise when boundary conditions or material properties include nonlinear functions. This case can be treated as a series of quadratic eigenvalue problems. The finite element analysis program has an eigenvalue linearization point
Figure 112012043830331-pat00006
Compute the eigenvalues as a series of linear approximations around it.

고유치 문제를 고유진동수 문제의 경우로 표현하면 고유값과 고유진동수의 관계는 수학식 3과 같다.
When the eigenvalue problem is expressed as the case of the natural frequency problem, the relationship between the eigenvalue and the natural frequency is expressed by Equation 3.

Figure 112012043830331-pat00007
Figure 112012043830331-pat00007

고유치문제를 통해서 나오는 고유벡터는 모델의 모드형상을 나타낸다. 만약 모델에 damping값이 있다면 고유진동수는 damped eigenvalue 값을 통해서 유도되며 이때의 고유치는 허수로 표현되고 고유값을 고유진동수로 치환할 때 실수값으로 치환하여 표현한다. 치환된 고유진동수의 실수값은 실제 모델의 고유진동수 값이고 허수부는 댐핑값을 나타낸다. 고유진동수 해석에서 모델의 고유모드의 스케일은 solver에 따라 임의로 지정된다.The eigenvectors resulting from the eigenvalue problem represent the mode shape of the model. If there is a damping value in the model, the eigenfrequency is derived from the damped eigenvalue, and the eigenvalue is expressed as an imaginary number. The real value of the substituted natural frequency is the natural frequency value of the real model, and the imaginary part represents the damping value. In natural frequency analysis, the scale of the model's eigenmodes is randomly determined by the solver.

이러한 일련의 과정을 통해서 유한요소해석 프로그램은 각 node의 각 자유도의 변위와 가속도 속도를 계산할 수 있고 질량, 강성, 댐핑 행렬과 고유벡터 고유진동수를 구할 수 있다. Through this series of processes, the finite element analysis program can calculate the displacement and acceleration velocity of each degree of freedom of each node, and find the mass, stiffness, damping matrix, and eigenvector eigenfrequency.

모델의 동적 특성을 해석하면, 구해진 모델의 동적 특성을 수치해석 프로그램으로 전송한다(S2400). 본 실시예에서는 유한요소해석 프로그램과 수치해석 프로그램이 상호간에 데이터를 전송하는 할 때, 가상의 버퍼링부를 이용하여 전송되는 데이터가 타 프로그램에서 판독 가능하도록 변환할 수 있다.  When the dynamic characteristics of the model are analyzed, the calculated dynamic characteristics are transmitted to the numerical analysis program (S2400). In the present embodiment, when the finite element analysis program and the numerical analysis program transmit data between each other, the data transmitted using the virtual buffering unit may be converted to be readable by another program.

수치해석 프로그램은 모델의 동적 특성을 전송받으면, 코딩된 위상최적화 알고리즘을 이용해 설계 변수를 갱신한다(S2500). 설계 변수 갱신을 위해서는 우선 고유치의 진동 모드 중에서 타겟 모드를 추적한다. 유한요소 모델에 관한 미분방적식을 풀면 복수의 고유치를 구할 수 있다. 이 경우 각각의 고유치의 진동 모드 중에서 최적화 대상이 되는 타겟 모드를 추적한다. 타겟 모드를 추적하기 위해서 MAC(Modal Assurance Criterion)이 사용될 수 있다. MAC은 수학식 4와 같이 계산하며 개념은 도 3에 도시된 바와 같다.
When the numerical analysis program receives the dynamic characteristics of the model, the design variable is updated using a coded phase optimization algorithm (S2500). To update the design variables, the target mode is first tracked among the eigenvalue vibration modes. Solving the differential equations for the finite element model yields a plurality of eigenvalues. In this case, the target mode to be optimized is tracked among vibration modes of each eigenvalue. Modal Assurance Criterion (MAC) may be used to track the target mode. MAC is calculated as shown in Equation 4, and the concept is as shown in FIG.

Figure 112012043830331-pat00008
Figure 112012043830331-pat00008

수학식 4에서

Figure 112012043830331-pat00009
는 최적화 대상이 되는 사인 진동 모드를 나타내는 벡터이며,
Figure 112012043830331-pat00010
는 최적화 진행 중인 모델의 현재 진동 모드를 나타내는 벡터이다. 고유치들의 진동 모드의 고유 벡터와 MAC을 계산하여 1에 근접한 가장 높은 값이 나온 고유치의 진동 모드가 타겟 모드가 된다. In Equation 4,
Figure 112012043830331-pat00009
Is a vector representing the sine vibration mode to be optimized.
Figure 112012043830331-pat00010
Is a vector representing the current vibration mode of the model under optimization. The target mode is the vibration mode of the eigenvalues, which calculates the eigenvectors and MACs of the vibration modes of the eigenvalues and obtains the highest value close to one.

타겟 모드를 구하면, 타겟 모드의 고유치를 이용하여 목적 함수를 수정한다. 목적 함수를 수정한 후, 민감도를 구하고 민감도에 따라 설계 변수를 갱신한다. 민감도는 목적 함수를 설계 변수로 미분하여 구한다. 위상최적화 방법에서 설계 변수를 개선하는 방법에는 OC(Optimal Criteria) 방법, MMA(Method of Moving Asymptotes) 방법 등이 있다. 정적 문제에 대한 OC 방법의 적용은 수학식 5와 같다.
Once the target mode is found, the objective function is modified using the eigenvalues of the target mode. After modifying the objective function, the sensitivity is obtained and the design variables are updated according to the sensitivity. Sensitivity is obtained by differentiating the objective function with the design variables. The methods for improving design variables in the phase optimization method include an OC (Optimal Criteria) method and a Method of Moving Asymptotes (MMA) method. The application of the OC method to the static problem is shown in Equation 5.

Figure 112012043830331-pat00011
Figure 112012043830331-pat00011

Figure 112012043830331-pat00012
은 설계밀도 값의 최대 변화 한계이며
Figure 112012043830331-pat00013
는 수치적인 감쇠 값이다.
Figure 112012043830331-pat00014
는 수학식 6과 같이 주어진다.
Figure 112012043830331-pat00012
Is the maximum change limit of the design density value
Figure 112012043830331-pat00013
Is the numerical attenuation value.
Figure 112012043830331-pat00014
Is given by Equation 6.

Figure 112012043830331-pat00015
Figure 112012043830331-pat00015

수학식 6에서

Figure 112012043830331-pat00016
는 목적 함수이며,
Figure 112012043830331-pat00017
의 분자항은 민감도 값을 의미한다. 분모의 λ는 라그랑지안 승수로써 위상최적화 코드 안에서 bi-sectioning 알고리즘을 통해 구한다. In Equation (6)
Figure 112012043830331-pat00016
Is the objective function,
Figure 112012043830331-pat00017
The molecular term of means the sensitivity value. The λ of the denominator is the Lagrangian multiplier, obtained from the bi-sectioning algorithm in the phase optimization code.

수학식 5는 정적 문제에 관한 OC 방법의 적용이며 만약 동적 문제에 관한 것이라면 약간 수정되어야 하는데 그 이유는 동적 문제에 관한 민감도 값은 음의 값을 가질 수 있기 때문이다.

Figure 112012043830331-pat00018
를 동적 문제에 맞게 수정한 형태는 수학식 7과 같다. OC 방법을 이용하여 설계 변수를 갱신하는 개념은 도 4에 도시되어 있다.
Equation 5 is the application of the OC method for the static problem and if it is for the dynamic problem, it should be slightly modified because the sensitivity value for the dynamic problem may have a negative value.
Figure 112012043830331-pat00018
Is modified to fit the dynamic problem as shown in Equation (7). The concept of updating design variables using the OC method is illustrated in FIG. 4.

Figure 112012043830331-pat00019
Figure 112012043830331-pat00019

설계 변수가 갱신되면, 갱신된 설계 변수가 수렴하는지 판단한다(S2600). 설계 변수가 수렴하지 않으면(No), 수치해석 프로그램에서 갱신된 설계 변수를 유한요소해석 프로그램으로 전송한다(S2700). 유한요소해석 프로그램은 갱신된 설계 변수를 이용하여 모델의 동적 특성을 해석하는 단계에서부터 반복한다. 설계 변수가 수렴하면(Yes), 최적화는 종료되고 최적화된 모델이 도출된다.
When the design variable is updated, it is determined whether the updated design variable converges (S2600). If the design variables do not converge (No), the updated design variables are transmitted to the finite element analysis program (S2700). The finite element analysis program repeats from the analysis of the dynamic characteristics of the model using the updated design variables. If the design variables converge (Yes), the optimization ends and an optimized model is derived.

실시예Example

본 발명의 실시예에 따른 유한요소해석 프로그램과 수치해석 프로그램을 연계한 위상최적화 방법을 초음파 트랜스듀서를 설계에 적용하였다. 트랜스듀서는 반도체 접합 장비에서 초음파 에너지를 반도체에 전달하는 중요한 부품 중 하나이다. 초음파 접합을 성공적으로 하기 위해서는 초음파 장비의 길이 방향 고유진동수가 요구된다. 그러나 지금까지는 엔지니어의 경험과 trial and error 방법으로 초음파 트랜스듀서를 설계하였다. 이러한 방법은 급변하고 있는 반도체 패키징 기술 분야에 적합하지 않으므로, 위상최적화를 초음파 트랜스듀서 설계에 적용하였다.According to an embodiment of the present invention, a phase optimization method in which a finite element analysis program and a numerical analysis program are combined is applied to the design of an ultrasonic transducer. Transducers are one of the important components for delivering ultrasonic energy to semiconductors in semiconductor bonding equipment. Successful ultrasonic bonding requires longitudinal natural frequencies of ultrasonic equipment. Until now, however, ultrasonic transducers have been designed using engineer experience and trial and error methods. Since this method is not suitable for the rapidly changing field of semiconductor packaging technology, phase optimization has been applied to the design of ultrasonic transducers.

본 실시예에서 유한요소해석 프로그램은 컴솔(Comsol)을 사용하였고, 수치해석 프로그램은 매트랩(Matlab)을 사용하였다. 초음파 트랜스듀서의 형상은, 도 5에 도시된 바와 같이, 측면이 사각형인 몸체부를 구비하는 직육면체 형상으로 단순화하였다. 설계 변수는 초음파 트랜스듀서 몸체부의 유한요소 밀도로 하였고, 목적함수는 몸체부의 길이방향 모드의 고유진동수를 변화시키는 함수를 사용하였다. 구체적으로 목적함수는 초기 모델의 길이방향 모드의 고유진동수와 목적주파수의 차이를 그 모드를 유지하면서 최소화시키는 것이다.In the present embodiment, the finite element analysis program used Comsol, and the numerical analysis program used Matlab. The shape of the ultrasonic transducer is simplified to a cuboid shape having a body portion with a square side, as shown in FIG. The design variable is the finite element density of the ultrasonic transducer body part and the objective function is a function that changes the natural frequency of the longitudinal mode of the body part. Specifically, the objective function is to minimize the difference between the natural frequency and the target frequency in the longitudinal mode of the initial model while maintaining the mode.

위상최적화를 정식화하기위하여 SIMP방법을 사용하였고, OC방법을 이용하여 밀도를 update하였다. 그리고 목표 길이방향 진동모드를 추적하기위하여 MAC방법을 사용하였다. 최적화가 끝난 후 우리는 2D 모델과 3D모델의 형상을 비교하였다. 기계적 특성과 디자인의 유효서을 판별하기위하여 우리는 3D모델을 제작하여 레이져vibrometer를 이용하여 진동변위를 측정하였고 1500시간에 해당하는 가속 수명실험을 실행하였다.The SIMP method was used to formulate the phase optimization, and the density was updated using the OC method. The MAC method is used to track the target longitudinal vibration mode. After the optimization, we compared the shape of the 2D and 3D models. To determine the mechanical properties and validity of the design, we fabricated a 3D model and measured the vibration displacement using a laser vibrometer and performed an accelerated life test of 1500 hours.

위상최적화가 진행하는 동안 질량과 강성을 update하기 위하여 각각의 엘리먼트(element)의 밀도는 0과 1사이의 값을 가지게 된다. 만약 엘리먼트의 밀도가 0이라면 재료가 없는 부분이다. 반면에, 엘리먼트의 밀도가1이라면 재료가 있는 부분이다. 위상최적화가 반복 계산되는 동안 영률과 밀도는 수학식 8과 같이 interpolation function에 의하여 근사화된다.
During the phase optimization, the density of each element has a value between 0 and 1 to update mass and stiffness. If the element's density is zero, it is the absence of material. On the other hand, if the element has a density of 1, that is where the material is. While phase optimization is repeatedly calculated, Young's modulus and density are approximated by the interpolation function as shown in Equation (8).

Figure 112012043830331-pat00020
Figure 112012043830331-pat00020

interpolation 함수는 수학식 9와 같이 지수함수 형태가 된다.
The interpolation function has an exponential form as shown in Equation 9.

Figure 112012043830331-pat00021
Figure 112012043830331-pat00021

목적함수의 수식은 수학식 10과 같다. 수학식 10에서 ωi는 반복 계산 중 모델의 고유진동수를 의미하고 ωt는 목적 주파수를 의미한다.The equation of the objective function is shown in Equation 10. In Equation 10, ω i means the natural frequency of the model during iteration calculation and ω t means the target frequency.

Figure 112012043830331-pat00022
Figure 112012043830331-pat00022

목적함수에서 f 체적제한조건으로 본 실시예에서는 0.7을 사용하였다. Xmin은 sigular 메트릭스를 방지하는 역할을 한다. 본 실시예에서는 0.001로 설정하였다.0.7 was used in this example as the f volume limit condition in the objective function. X min prevents sigular metrics. In this embodiment, it is set to 0.001.

민감도를 구하기위해서, 본 실시예에서는 목적함수를 설계변수로 미분하였고 민감도 함수는 수학식 11과 같다.In order to obtain the sensitivity, in this embodiment, the objective function is differentiated into the design variable, and the sensitivity function is expressed by Equation (11).

Figure 112012043830331-pat00023
Figure 112012043830331-pat00023

메트릭스 형태로 바꾼 민감도 함수는 수학식 12와 같다.
The sensitivity function converted into the matrix form is shown in Equation 12.

Figure 112012043830331-pat00024
Figure 112012043830331-pat00024

그리고 민감도 함수를 strain 에너지와 kinetic 에너지의 형태로 바꾸면 수학식 13과 같다. And converting the sensitivity function into the form of strain energy and kinetic energy is shown in Equation 13.

Figure 112012043830331-pat00025
Figure 112012043830331-pat00025

수학식 13에서 Estrain과 Ekinetic은 각각 strain 에너지와 kinetic에너지를 나타낸다. 수학식 13과 같이 에너지 형태로 나타낸 함수는 장점이 있다. 예를 들어 여러가지 FEM코드에 적용 가능한 확장성이다.In Equation 13, Estrain and Ekinetic represent strain energy and kinetic energy, respectively. The function represented in the form of energy as shown in Equation 13 has an advantage. For example, it is an extensibility applicable to various FEM codes.

MAC은 위상최적화 계산 과정에서 길이방향 sine파형을 추적하기 위하여 사용된다. 본 실시예에서는 weighted MAC을 사용하였다. WMAC은 밀도가 낮은 element가 물리적으로 불가능한 거동을 함을 대비하여 밀도를 이용하여 가중함수를 주는 방범의 변화된 MAC 방법이다. WMAC은 수학식 14과 같이 계산한다.
MAC is used to track the longitudinal sine waveform during the phase optimization calculation. In this example, weighted MAC is used. WMAC is a modified MAC method that provides weighting functions using density in preparation for physically impossible behavior of low density elements. WMAC is calculated as in Equation 14.

Figure 112012043830331-pat00026
Figure 112012043830331-pat00026

설계변수를 민감도 값을 기반으로 갱신하기 위해서 본 실시예에서는 OC 방법을 사용하였다. OC 방법은 민감도값을 기반으로 요소의 설계변수를 올리거나 내리는 알고리즘이다. OC 방법은 수학식 5와 6에서 설명하였다.
In this embodiment, the OC method was used to update the design variable based on the sensitivity value. The OC method is an algorithm that raises or lowers the design variables of elements based on sensitivity values. The OC method has been described in equations (5) and (6).

최적화 과정에서 초음파 트랜스듀서의 몸체부 체적이 0이 되는 것을 방지하기 위해서 체적 제한 조건을 설정하여야 한다. 본 실시예에서는 최적화 과정에서 밀도가 변하지 않는 보존 지역(fixed region)을 설정하였다. 보존 지역은, 도 5에 도시된 바와 같이, 몸체부 중앙의 상부와 하부로 하였다. 이는 일반적인 초음파 트랜스듀서는 몸체부 중앙의 상부와 하부에 접합부가 형성되기 때문이다. 본 실시예에서는 보존 지역의 크기를 2가지로 설정하여 각각에 대해서 최적화를 실시하였다. 이하에서는 보존 지역의 길이를 8mm로 한 모델을 PF8이라 하고 보존 지역의 길이를 16mm로 모델을 PF16이라고 한다. PF8에 대해서 SIMP방법을 사용하여 최적화를 한 결과는 도 6의 (a)에 도시된 바와 같고, 최적화 형상은 도 7의 (a)에 도시된 바와 같다. PF16 대해서 SIMP방법을 사용하여 최적화를 한 결과는 도 6의 (b)에 도시된 바와 같고, 최적화 형상은 도 7의 (b)에 도시된 바와 같다.
In order to prevent the body volume of the ultrasonic transducer from becoming zero during the optimization process, a volume constraint must be set. In this embodiment, a fixed region in which the density does not change during the optimization process is set. As shown in Fig. 5, the storage area was the upper and lower portions of the center of the body portion. This is because a general ultrasonic transducer is formed at the upper and lower portions of the center of the body portion. In this example, the conservation zones were set to two sizes and optimized for each. In the following description, a model having a length of 8 mm in the conservation area is called PF8 and a model PF16 having a length of 16 mm in the conservation area. The result of optimizing the PF8 using the SIMP method is as shown in FIG. 6 (a), and the optimization shape is as shown in FIG. 7 (a). The result of optimizing the PF16 using the SIMP method is as shown in FIG. 6B, and the optimization shape is as shown in FIG. 7B.

설계의 유효성을 검증하기 위해 최적화 결과로 나온 형상으로 두개의 트랜스듀서 모델을 제작하였다. 모델은 wire cutting 가공 방법으로 sus로 만들었다. PF8에 대한 최적화 형상으로 제작된 초음파 트랜스듀서는 도 8의 (a)와 같고, PF16에 대한 최적화 형상으로 제작된 트랜스듀서는 도 8의 (b)와 같다. To verify the validity of the design, two transducer models were fabricated with the resulting shape. The model was made with sus by wire cutting. An ultrasonic transducer manufactured with an optimized shape for PF8 is shown in FIG. 8A, and a transducer manufactured with an optimized shape for PF16 is shown in FIG. 8B.

초음파 트랜스듀서를 작동시키기 위해, ultrasonic generator를 이용하여 1kV에 해당하는 60kHz 초음파를 초음파 트랜스듀서에 주었다. 가진되는 초음파 트랜스듀서의 진폭을 레이져 바이브로미터를 이용하여 측정하였다. 측정은 초음파 트랜스듀서의 끝점(Ending point, EP)과 접합부(Bonding point, BP)에서 실시하였다. 측정 결과는 도 9에 도시된 바와 같다. 컴퓨터를 이용하여 구한 최적화된 모델의 고유진동수와 실제 제작한 모델의 고유진동수차이는 1%미만으로 측정되었다.In order to operate the ultrasonic transducer, an ultrasonic generator was applied to the ultrasonic transducer with 60 kHz ultrasonic waves corresponding to 1 kV. The amplitude of the excited ultrasonic transducer was measured using a laser vibrometer. Measurements were made at the end point (EP) and bonding point (BP) of the ultrasonic transducer. The measurement result is as shown in FIG. The difference between the natural frequencies of the optimized model obtained using a computer and the natural frequencies of the model actually produced was measured to be less than 1%.

또한 초음파 트랜스듀서(PF16)의 1500시간에 해당하는 가속 환경에 대한 실험을 하였다. 가속 수명 실험을 위하여, 도 10과 같은 안전챔버를 구성하고 2MPa의 지속적인 압력과 반복적으로 가진을 주었다.In addition, an experiment was conducted on an acceleration environment corresponding to 1500 hours of the ultrasonic transducer (PF16). For the accelerated life test, a safety chamber as shown in FIG. 10 was constructed and repeatedly excited with a constant pressure of 2 MPa.

도 11은 매 10시간 마다 초음파 트랜스듀서의 압력과 비압력상태의 변위를 나타내는 도면이다. 모든 최적화된 초음파 트랜스듀서는 수명실험이 끝난 이후에도 강건한 거동을 보였다.
FIG. 11 is a diagram showing displacement of pressure and non-pressure state of the ultrasonic transducer every 10 hours. All of the optimized ultrasonic transducers showed robust behavior even after the end of life test.

한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 본 발명이 기술 내용을 쉽게 설명하고 본 발명의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다. It should be noted that the embodiments of the present invention disclosed in the present specification and drawings are only illustrative of the present invention in order to facilitate description of the present invention and to facilitate understanding of the present invention and are not intended to limit the scope of the present invention. It will be apparent to those skilled in the art that other modifications based on the technical idea of the present invention are possible in addition to the embodiments disclosed herein.

100 : 컴퓨터 110 : 입력부
120 : 표시부 130 : 메모리부
140 : 제어부
100: computer 110: input unit
120: display unit 130: memory unit
140:

Claims (14)

유한요소해석 프로그램 및 수치해석 프로그램이 구동 가능한 컴퓨터에서 구현되는 위상최적화 방법으로,
해석할 모델의 설계 변수, 목적 함수를 결정하는 단계;
상기 유한요소해석 프로그램을 이용하여 상기 해석할 모델을 모델링하는 단계;
상기 유한요소해석 프로그램을 이용하여 상기 모델의 동적 특성을 해석하는 단계;
상기 유한요소해석 프로그램에서 해석한 상기 모델의 동적 특성을 상기 수치해석 프로그램으로 전송하고, 상기 수치해석 프로그램에 코딩된 위상최적화 알고리즘을 이용하여 상기 설계 변수를 갱신하는 단계; 및
상기 설계변수가 수렴하면 위상최적화를 종료하고, 상기 설계변수가 수렴하지 않으면 상기 수치해석 프로그램에서 갱신된 설계 변수를 상기 유한요소해석 프로그램으로 전송하여 상기 모델의 동적 특성을 해석하는 단계에서부터 다시 수행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유한요소해석 프로그램과 수치해석 프로그램을 연계한 위상최적화 방법.
A phase optimization method implemented in a computer that can run a finite element analysis program and a numerical analysis program,
Determining a design variable and an objective function of the model to be analyzed;
Modeling the model to be analyzed using the finite element analysis program;
Analyzing dynamic characteristics of the model using the finite element analysis program;
Transmitting the dynamic characteristics of the model analyzed by the finite element analysis program to the numerical analysis program, and updating the design variable using a phase optimization algorithm coded in the numerical analysis program; And
If the design variable converges, the phase optimization is terminated. If the design variable does not converge, the updated design variable is transferred from the numerical analysis program to the finite element analysis program, and the process is performed again from the step of analyzing dynamic characteristics of the model. And a phase optimization method in which the finite element analysis program and the numerical analysis program are linked to each other.
제1항에 있어서,
상기 유한요소해석 프로그램과 상기 수치해석 프로그램이 상호간에 데이터를 전송하는 할 때, 전송되는 데이터가 타 프로그램에서 판독 가능하도록 변환하는 가상의 버퍼링부를 이용하는 것을 특징으로 하는 유한요소해석 프로그램과 수치해석 프로그램을 연계한 위상최적화 방법.
The method of claim 1,
When the finite element analysis program and the numerical analysis program transmit data to each other, a finite element analysis program and a numerical analysis program comprising a virtual buffering unit converting the transmitted data to be readable by another program. Linked phase optimization method.
제1항에 있어서,
상기 유한요소해석 프로그램은 컴솔(Comsol)이고, 상기 수치해석 프로그램은 매트랩(Matlab)인 것을 특징으로 하는 유한요소해석 프로그램과 수치해석 프로그램을 연계한 위상최적화 방법.
The method of claim 1,
The finite element analysis program is a comsol, and the numerical analysis program is a matlab. The phase optimization method in which the finite element analysis program and the numerical analysis program are linked.
유한요소해석 프로그램 및 수치해석 프로그램이 구동 가능한 컴퓨터에서 구현되는 위상최적화 방법으로,
해석할 모델의 설계 변수, 목적 함수를 결정하는 단계;
상기 유한요소해석 프로그램을 이용하여 상기 해석할 모델을 모델링하는 단계;
상기 유한요소해석 프로그램을 이용하여 상기 모델을 정식화하여 유한요소해석을 위한 미분방정식을 구하고, 상기 미분방정식에 따른 고유치, 모델의 각 노드(node)의 변위, 가속도, 속도, 질량, 강성, 댐핑 행렬, 고유진동수를 구하여 상기 모델의 동적 특성을 해석하는 단계;
상기 유한요소해석 프로그램에서 해석한 상기 모델의 동적 특성을 상기 수치해석 프로그램으로 전송하는 단계;
상기 수치해석 프로그램에 코딩된 위상최적화 알고리즘을 이용하여 상기 설계 변수를 갱신하는 단계; 및
상기 설계변수가 수렴하면 위상최적화를 종료하고, 상기 설계변수가 수렴하지 않으면 상기 수치해석 프로그램에서 갱신된 설계 변수를 상기 유한요소해석 프로그램으로 전송하여 상기 모델의 동적 특성을 해석하는 단계에서부터 다시 수행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유한요소해석 프로그램과 수치해석 프로그램을 연계한 위상최적화 방법.
A phase optimization method implemented in a computer that can run a finite element analysis program and a numerical analysis program,
Determining a design variable and an objective function of the model to be analyzed;
Modeling the model to be analyzed using the finite element analysis program;
The model is formulated using the finite element analysis program to obtain differential equations for finite element analysis, eigenvalues according to the differential equation, displacement of each node of the model, acceleration, velocity, mass, stiffness, and damping matrix. Analyzing the dynamic characteristics of the model by obtaining a natural frequency;
Transmitting the dynamic characteristics of the model analyzed by the finite element analysis program to the numerical analysis program;
Updating the design variable using a phase optimization algorithm coded in the numerical analysis program; And
If the design variable converges, the phase optimization is terminated. If the design variable does not converge, the updated design variable is transferred from the numerical analysis program to the finite element analysis program, and the process is performed again from the step of analyzing dynamic characteristics of the model. And a phase optimization method in which the finite element analysis program and the numerical analysis program are linked to each other.
제4항에 있어서,
상기 수치해석 프로그램에 코딩된 위상최적화 알고리즘을 이용하여 설계 변수를 갱신하는 단계는,
상기 고유치의 진동 모드 중에서 타겟 모드를 추적하는 단계;
상기 타겟 모드의 고유치를 이용하여 상기 목적 함수를 수정하는 단계; 및
상기 수정된 목적 함수를 상기 설계 변수로 미분하여 민감도를 구하고 상기 민감도에 따라 상기 설계변수를 OC(Optimal Criteria)를 이용하여 갱신하는 단계;를 구비하는 것을 특징으로 하는 유한요소해석 프로그램과 수치해석 프로그램을 연계한 위상최적화 방법.
5. The method of claim 4,
The step of updating a design variable by using a phase optimization algorithm coded in the numerical analysis program,
Tracking a target mode among the vibration modes of the eigenvalues;
Modifying the objective function using the eigenvalues of the target mode; And
Obtaining a sensitivity by differentiating the modified objective function into the design variable and updating the design variable using an OC (Optimal Criteria) according to the sensitivity; and a finite element analysis program and a numerical analysis program comprising: Phase optimization method in conjunction with.
제5항에 있어서,
상기 고유치의 진동 모드 중에서 타겟 모드를 추적하는 단계는,
MAC(Modal Assurance Criterion)을 이용하는 것을 특징으로 하는 유한요소해석 프로그램과 수치해석 프로그램을 연계한 위상최적화 방법.
The method of claim 5,
Tracking the target mode among the vibration mode of the eigenvalue,
A phase optimization method in which a finite element analysis program and a numerical analysis program are linked using a Modal Assurance Criterion (MAC).
삭제delete 제5항에 있어서,
상기 민감도에 따라 상기 설계 변수를 갱신하는 단계는,
체적 제한 조건을 설정하는 것을 특징으로 하는 유한요소해석 프로그램과 수치해석 프로그램을 연계한 위상최적화 방법.
The method of claim 5,
The updating of the design variable according to the sensitivity may include:
A phase optimization method incorporating a finite element analysis program and a numerical analysis program characterized by setting volume constraints.
유한요소해석 프로그램 및 수치해석 프로그램이 구동 가능한 컴퓨터를 이용하여 몸체부를 구비하는 초음파 트랜스듀서 위상최적화 설계 방법에 있어서,
상기 트랜스듀서의 설계 변수를 상기 몸체부의 유한요소 밀도로 하고, 목적 함수와 목표 주파수를 결정하는 단계;
상기 유한요소해석 프로그램을 이용하여 상기 트랜스듀서를 모델링하는 단계;
상기 유한요소해석 프로그램을 이용하여 상기 모델링한 트랜스듀서를 정식화하여 유한요소해석을 위한 미분방정식을 구하고, 상기 미분방정식에 따른 고유치, 모델의 각 노드(node)의 변위, 가속도, 속도, 질량, 강성, 댐핑 행렬, 고유진동수를 구하여 상기 모델의 동적 특성을 해석하는 단계;
상기 유한요소해석 프로그램에서 해석한 상기 모델의 동적 특성을 상기 수치해석 프로그램으로 전송하는 단계;
상기 수치해석 프로그램에 코딩된 위상최적화 알고리즘을 이용하여 상기 설계 변수를 갱신하는 단계; 및
상기 설계변수가 수렴하면 위상최적화를 종료하고, 상기 설계변수가 수렴하지 않으면 상기 수치해석 프로그램에서 갱신된 설계 변수를 상기 유한요소해석 프로그램으로 전송하여 상기 모델의 동적 특성을 해석하는 단계에서부터 다시 수행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 유한요소해석 프로그램과 수치해석 프로그램을 연계한 초음파 트랜스듀서 위상최적화 설계 방법.
In the ultrasonic transducer phase optimization design method having a body using a computer capable of driving a finite element analysis program and a numerical analysis program,
Determining a design function of the transducer as a finite element density of the body portion, and determining an objective function and a target frequency;
Modeling the transducer using the finite element analysis program;
Formulate the modeled transducer using the finite element analysis program to obtain differential equations for finite element analysis, eigenvalues according to the differential equations, displacement of each node of the model, acceleration, velocity, mass, stiffness Analyzing a dynamic characteristic of the model by obtaining a damping matrix and a natural frequency;
Transmitting the dynamic characteristics of the model analyzed by the finite element analysis program to the numerical analysis program;
Updating the design variable using a phase optimization algorithm coded in the numerical analysis program; And
If the design variable converges, the phase optimization is terminated. If the design variable does not converge, the updated design variable is transferred from the numerical analysis program to the finite element analysis program, and the process is performed again from the step of analyzing dynamic characteristics of the model. Ultrasonic transducer phase optimization design method comprising the step of linking the finite element analysis program and the numerical analysis program.
제9항에 있어서,
상기 수치해석 프로그램에 코딩된 위상최적화 알고리즘을 이용하여 설계 변수를 갱신하는 단계는,
상기 고유치의 진동 모드 중에서 타겟 모드를 추적하는 단계;
상기 타겟 모드의 고유치를 이용하여 상기 목적 함수를 수정하는 단계; 및
상기 수정된 목적 함수를 상기 설계 변수로 미분하여 민감도를 구하고 상기 민감도에 따라 상기 설계변수를 OC(Optimal Criteria)를 이용하여 갱신하는 단계;를 구비하는 것을 특징으로 하는 유한요소해석 프로그램과 수치해석 프로그램을 연계한 초음파 트랜스듀서 위상최적화 설계 방법.
10. The method of claim 9,
The step of updating a design variable by using a phase optimization algorithm coded in the numerical analysis program,
Tracking a target mode among the vibration modes of the eigenvalues;
Modifying the objective function using the eigenvalues of the target mode; And
Obtaining a sensitivity by differentiating the modified objective function into the design variable and updating the design variable using an OC (Optimal Criteria) according to the sensitivity; and a finite element analysis program and a numerical analysis program comprising: Ultrasonic Transducer Phase Optimization Design Method
제10항에 있어서,
상기 고유치의 진동 모드 중에서 타겟 모드를 추적하는 단계는,
MAC(Modal Assurance Criterion)을 이용하는 것을 특징으로 하는 유한요소해석 프로그램과 수치해석 프로그램을 연계한 초음파 트랜스듀서 위상최적화 설계 방법.
The method of claim 10,
Tracking the target mode among the vibration mode of the eigenvalue,
Ultrasonic transducer phase optimization design method incorporating finite element analysis program and numerical analysis program using Modal Assurance Criterion (MAC).
삭제delete 제10항에 있어서,
상기 초음파 트랜스듀서의 몸체부의 체적이 0이 되는 것을 막기 위해 상기 몸체부에 밀도가 변하지 않는 보존 지역을 설정하는 것을 특징으로 하는 유한요소해석 프로그램과 수치해석 프로그램을 연계한 초음파 트랜스듀서 위상최적화 설계 방법.
The method of claim 10,
Ultrasonic transducer phase optimization design method in conjunction with a finite element analysis program and a numerical analysis program, characterized in that for setting the preservation area does not change the density in the body portion to prevent the volume of the body portion of the ultrasonic transducer to zero.
제13항에 있어서,
상기 보존 지역은 상기 몸체부 중앙의 상부와 하부인 것을 특징으로 하는 유한요소해석 프로그램과 수치해석 프로그램을 연계한 초음파 트랜스듀서 위상최적화 설계 방법.
The method of claim 13,
The preservation area is the ultrasonic transducer phase optimization design method in conjunction with the finite element analysis program and the numerical analysis program, characterized in that the upper and lower portions of the center of the body.
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