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Research Paper
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Matching Pursuit Decomposition-Based Signal Denoising to Detect and Quantify the Delamination of Sandwich Composites
샌드위치 복합재의 결함 탐지 및 정량화를 위한 일치 추적 분해 기반 디노이징 기법 개발
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Jun Young Kim, Daeyeon Ki, Kyutae Park, Haram Choi, Heung Soo Kim
김준영, 기대연, 박규태, 최하람, 김흥수
- In this paper, a damage detection and quantification method for sandwich composites using matching pursuit decomposition (MPD) is presented. Sandwich composites with …
본 논문에서는 일치 추적 분해를 활용한 샌드위치 복합재의 결함 탐지 및 정량화 방법을 소개한다. 샌드위치 복합재 시편을 제작하기 위해 핸드 레이-업 공법과 …
- In this paper, a damage detection and quantification method for sandwich composites using matching pursuit decomposition (MPD) is presented. Sandwich composites with and without delamination were fabricated using the hand lay-up and hot-press methods, and the location and size of delamination were confirmed using flash thermography. An ultrasonic wave propagation experiment using the pitch-catch method was set up to collect data from healthy and damaged samples. The acquired signals were estimated and decomposed using MPD and compared with signals denoised using fast Fourier and wavelet transforms. The denoised signals were trained by a 1-D CNN model with the same number of layers and filters. The proposed method showed improved accuracy and stability than the traditional method. In addition, more reliable mode separation in the time-frequency representation could be confirmed, extending the possibility of MPD-based signal preprocessing in deep learning training.
- COLLAPSE
본 논문에서는 일치 추적 분해를 활용한 샌드위치 복합재의 결함 탐지 및 정량화 방법을 소개한다. 샌드위치 복합재 시편을 제작하기 위해 핸드 레이-업 공법과 핫 프레스 공법을 활용하여 결함이 존재하는 시편과 없는 시편을 제작하였다. 결함의 위치와 정도를 파악하기 위해 플래시 서모그래피를 활용하여 확인하였다. 각각의 시편에서 데이터를 확보하기 위해 pitch-catch법을 활용한 초음파 전파 실험을 설정하였고, 샌드위치 복합재의 표면에 부착한 압전 센서를 통해 데이터를 확보하였다. 획득한 신호는 일치 추적 분해를 이용하여 추정 및 분해하고, 고속 푸리에 변환과 웨이블릿 변환 기반 노이즈 제거 방법과의 성능을 비교하였다. 노이즈를 제거한 신호는 각각 동일한 구조의 1-D CNN 모델에 훈련하여 성능을 비교하였다. 제안한 일치 추적 분해 기반 신호 노이즈 제거는 기존의 방법보다 높은 정확도, 안정성, 훈련 속도를 보였으며, 시간-주파수 영역에서 보다 직관적인 모드 분리를 확인하여 특성 추출을 통한 일치 추적 분해 기반 신호 전처리 및 딥러닝 모델 훈련의 가능성을 확장할 수 있음을 확인하였다.
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Matching Pursuit Decomposition-Based Signal Denoising to Detect and Quantify the Delamination of Sandwich Composites
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Research Paper
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Development of an SDOF Model for Seismic Performance Evaluation of Low to Mid-Rise Reinforced Concrete Residential Buildings
중저층 철근콘크리트 주거형 건축물의 내진성능평가를 위한 단자유도 모델 구축
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Minseok Park, Seoyoun Lee, Insub Choi
박민석, 이서연, 최인섭
- During earthquakes, buildings can suffer damage ranging from minor to severe, potentially leading to collapses and resulting in loss of life and …
지진발생 시, 건물은 작게는 손상에서 크게는 붕괴까지 이어지므로 인명과 재산상의 피해가 생길 수 있다. 이러한 지진의 위험성에 대비하여 건물의 내진성능평가가 필요하다. 현재 …
- During earthquakes, buildings can suffer damage ranging from minor to severe, potentially leading to collapses and resulting in loss of life and property. To mitigate these risks, it is essential to evaluate the seismic performance of buildings. Current seismic performance evaluation techniques require significant time as they focus on individual buildings. Therefore, there is a need to develop evaluation techniques that can be applied on a regional scale. This study proposes a single-degree-of-freedom model with a nonlinear shear spring to assess the seismic performance and plan the reinforcement of reinforced concrete residential buildings. The nonlinear shear spring, defined by the T-SR-μ parameter, is used to simulate the nonlinear response of the structure. By applying 100-PEER ground motions to this model, the seismic performance of the buildings was evaluated based on the maximum inter-story drift ratio response. The applicability of the proposed technique was confirmed by comparing it with detailed models, where both models assessed the seismic performance of the buildings at similar levels. This results demonstrate that the proposed method can accurately predict the seismic performance of actual buildings.
- COLLAPSE
지진발생 시, 건물은 작게는 손상에서 크게는 붕괴까지 이어지므로 인명과 재산상의 피해가 생길 수 있다. 이러한 지진의 위험성에 대비하여 건물의 내진성능평가가 필요하다. 현재 내진성능평가 기법의 경우 개별 건물을 대상으로 하기에 많은 시간이 투자되어야 한다. 따라서, 지역규모의 건물들을 대상으로 하는 내진성능평가 기법의 개발이 필요한 실정이다. 본 연구는 RC 주거형 건물의 내진성능을 평가하고 보강계획을 수립하기 위해 비선형 Shear Spring을 가진 단자유도모델을 구축하였다. 구조물의 비선형 응답을 모사하기 위한 비선형 Shear Spring은 T-SR-μ를 매개변수로 정의된다. 해당모델에 100개의 PEER 지진을 적용하여, 최대층간변위비 응답으로 건물의 내진성능을 평가하였다. 제안기법의 적용성을 확인하기 위하여 상세모델과 비교하였을 때, 두 모델 모두 건물의 내진성능을 같은 수준으로 판단하였음을 확인하였다. 본 연구는 제안된 방식이 실제 건물의 내진성능을 예측할 수 있음을 보여주었다.
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Development of an SDOF Model for Seismic Performance Evaluation of Low to Mid-Rise Reinforced Concrete Residential Buildings
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Research Paper
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A Study on the Mechanical behavior of 3D Printed Short-Fiber Reinforced Composite Structures using AM-Structural Coupled Analysis
AM 공정 연계 구조 해석을 활용한 단섬유 강화 복합소재 3D 프린팅 출력물의 기계적 거동 특성 분석
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Geung-Hyeon Lee, Da-Young Jang, Chae-Rim Seon, Minho Yoon, Jang-Woo Han
이긍현, 장다영, 선채림, 윤민호, 한장우
- In this paper, additive manufacturing (AM)-structural coupled analysis was proposed to accurately predict the mechanical behavior of 3D printed short-fiber reinforced composite …
본 논문에서는 3D 프린팅 공정을 통해 제작된 단섬유 강화 복합소재 구조물의 기계적 거동을 효과적으로 예측하기 위한 AM 공정 연계 구조 해석 기법을 …
- In this paper, additive manufacturing (AM)-structural coupled analysis was proposed to accurately predict the mechanical behavior of 3D printed short-fiber reinforced composite structures. Tensile specimens were printed using a composite 3D printer (Mark Two, Markforged), and tensile tests were conducted on specimens manufactured with various nozzle paths. In addition, a reverse engineering scheme was applied to the experimental data to reasonably derive local anisotropic material properties according to the nozzle paths. Consequently, AM-structural coupled analysis was performed using the enhanced finite element model with mapped local materials properties, and the mechanical behavior of the 3D printed short-fiber reinforced composite was accurately described. To demonstrate the effectiveness of the proposed AM-structural coupled analysis model, the computational results obtained were compared with experimental results.
- COLLAPSE
본 논문에서는 3D 프린팅 공정을 통해 제작된 단섬유 강화 복합소재 구조물의 기계적 거동을 효과적으로 예측하기 위한 AM 공정 연계 구조 해석 기법을 제안하였다. 복합소재 3D 프린터(Mark Two, Markforged)를 활용하여 다양한 노즐 경로를 갖는 인장 시편을 출력하였으며, 출력물에 대한 인장 시험을 진행하였다. 또한, 노즐 경로에 따른 부위별 이방 물성을 도출하기 위해 실험적 데이터를 기반으로 역공학 기법을 적용하였다. 제안된 AM 공정 연계 구조 해석 방안의 타당성을 검증하기 위해 실험 결과와의 비교/분석을 병행하였으며, 부위별 이방 물성이 반영된 FE 모델을 바탕으로 AM 공정 연계 구조 해석을 수행함으로써 복합소재 3D 프린팅 출력물의 거동 양상을 정확하게 예측할 수 있음을 확인하였다.
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A Study on the Mechanical behavior of 3D Printed Short-Fiber Reinforced Composite Structures using AM-Structural Coupled Analysis
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Research Paper
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Prediction of the Mechanical behavior of Short-Fiber Reinforced Composite Structures using Compression Molding-Structural Coupled Analysis
압축 성형-구조 연계 해석을 활용한 단섬유 강화 복합소재 구조물의 기계적 거동 예측
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Da-Young Jang, Geung-Hyeon Lee, Jang-Woo Han
장다영, 이긍현, 한장우
- In this paper, compression molding-structural coupled analysis was proposed to accurately consider the effect of initial compression molding conditions on the mechanical …
본 논문에서는 초기 압축 성형 공정 조건들이 단섬유 강화 복합소재 구조물의 기계적 거동 특성에 미치는 영향을 효과적으로 반영할 수 있는 압축 성형-구조 …
- In this paper, compression molding-structural coupled analysis was proposed to accurately consider the effect of initial compression molding conditions on the mechanical behavior of short-fiber reinforced composite structures. To this end, local short-fiber orientations depending on the initial charge conditions were investigated using compression molding analysis, and a mean-field homogenization scheme was employed to efficiently derive equivalent orthotropic material properties determined by short-fiber orientations. Furthermore, based on the refined finite element model with short-fiber orientation, compression molding-structural coupled analysis precisely described the locally independent mechanical behavior induced by initial molding conditions. Consequently, it could be confirmed that the proposed analysis model provides a reasonable solution in the design process of short-fiber reinforced composite structures manufactured by compression molding.
- COLLAPSE
본 논문에서는 초기 압축 성형 공정 조건들이 단섬유 강화 복합소재 구조물의 기계적 거동 특성에 미치는 영향을 효과적으로 반영할 수 있는 압축 성형-구조 연계 해석 방안을 제안하였다. 압축 성형 해석을 바탕으로 초기 charge의 형상 및 배치에 따른 부위별 단섬유 배향 특성을 분석하였으며, 평균장 균질화 이론을 통해 단섬유 배향 특성에 따른 등가 이방 물성을 도출하였다. 나아가, 단섬유 배향 정보가 Mapping된 유한요소 모델을 기반으로 초기 공정 조건들에 의해 야기되는 부위별 거동 특성 변화를 고려할 수 있는 압축 성형-구조 연계 해석을 진행하였다. 관련 수치 예제 검증을 통해 제시된 해석 방안은 압축 성형을 통해 제작된 단섬유 강화 복합소재 구조물 설계 과정에서 효과적인 솔루션을 제공함을 확인하였다.
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Prediction of the Mechanical behavior of Short-Fiber Reinforced Composite Structures using Compression Molding-Structural Coupled Analysis
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Research Paper
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Effect of Pulse-like Ground Motions with Various Pulse Indicators on the Seismic Fragility of Bridges
교량의 지진취약도에 대한 다양한 펄스지표를 가지는 펄스형 지진의 영향
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Sina Kong, Yeeun Kim, Sinith Kung, Jiho Moon, Jong-Keol Song
꽁씨나, 김예은, 꽁씨닛, 문지호, 송종걸
- Pulse-like ground motions cause significant damage to structures. The presence and intensity of velocity pulses in seismic acceleration records can be evaluated …
펄스형 지진은 구조물에 손상을 크게 유발한다. 펄스지표의 계산에 의해 지진 가속도 기록에 대한 속도펄스의 존재 유무와 그 세기의 평가가 가능하다. 입사각의 변화에 …
- Pulse-like ground motions cause significant damage to structures. The presence and intensity of velocity pulses in seismic acceleration records can be evaluated by calculating the pulse indicator (PI). The PI values for the same earthquake differ by approximately 20 depending on the change in the incidence angle. In this study, PIs were evaluated according to changes in the incidence direction of seismic waves, and the seismic response and seismic fragility of bridge structures were evaluated using a pair of 40 seismic waves according to five PI percentiles (0, 25, 50, 75, and 100). The results show that as the PI of ground motion increases, the acceleration response spectrum also tends to increase proportionally. It was observed that the seismic response of the bridge increased with the PI of the seismic wave, which increased the seismic fragility. For seismic acceleration records with the maximum PI, the seismic fragility of piers tended to increase by approximately 25-27% on average compared to the case of seismic acceleration records with the minimum PI.
- COLLAPSE
펄스형 지진은 구조물에 손상을 크게 유발한다. 펄스지표의 계산에 의해 지진 가속도 기록에 대한 속도펄스의 존재 유무와 그 세기의 평가가 가능하다. 입사각의 변화에 따른 펄스지표 값이 동일 지진에 대하여 대략 20 정도 차이가 난다. 지진파의 입사각의 변화에 따른 펄스지표를 평가하고, 5가지 펄스지표 백분위수(0, 25, 50, 75, 100 백분위수)에 따른 한 쌍의 40개 지진파를 사용하여 교량구조물의 지진응답과 지진취약도 평가를 수행하였다. 펄스지표가 큰 지진파일수록 가속도응답스펙트럼 또한 이에 비례하여 증가하는 경향을 나타냄을 알 수 있다. 지진파의 펄스지표(PI)가 증가할수록 교량의 지진응답을 증가시켜 지진취약도를 증가시키는 경향을 나타냄을 알 수 있다. 최대 펄스지표의 지진파의 경우가 최소 펄스지표의 지진파의 경우에 비하여 교각의 지진취약도를 대략 평균적으로 25~27% 정도 증가시키는 경향이 있다.
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Effect of Pulse-like Ground Motions with Various Pulse Indicators on the Seismic Fragility of Bridges
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Research Paper
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Development of a Reduced Order Model using a Deep Learning-based Manifold-Augmented Approach
매니폴드 데이터 증강기법 기반의 딥러닝 방법론을 적용한 축소 모델 개발
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Seongwoo Cheon, Hyejin Kim, Seokhee Ryu, Haeseong Cho, Hakjin Lee
천성우, 김혜진, 류석희, 조해성, 이학진
- This study presents a deep learning-based framework to predict the aerodynamic performance of low Reynolds number airfoils. The framework employs a convolutional …
본 논문에서는 저 레이놀즈 수 영역에서 에어포일의 공기역학적 성능을 예측하기 위한 딥러닝 기반의 축소 모델을 제시하였다. 딥러닝 기반 축소 모델에서 CFD 해석 …
- This study presents a deep learning-based framework to predict the aerodynamic performance of low Reynolds number airfoils. The framework employs a convolutional neural network (CNN) combined with a variational autoencoder (VAE) to efficiently handle large datasets. Moreover, the signed distance function is used as the network input to represent the airfoil configuration in the image data and parameterize the CNN. A novel generative model based on projection-based manifold learning is proposed to overcome the data mining limitation of computational fluid dynamics which may incur significant computational costs. The interpolation and extrapolation accuracy of the proposed framework is evaluated using the NACA 4-digit airfoil configuration.The results show improved accuracy via data augmentation performed by the proposed generative model.
- COLLAPSE
본 논문에서는 저 레이놀즈 수 영역에서 에어포일의 공기역학적 성능을 예측하기 위한 딥러닝 기반의 축소 모델을 제시하였다. 딥러닝 기반 축소 모델에서 CFD 해석 결과의 높은 차원의 데이터를 효율적으로 다루기 위해 변이형 오토인코더를 결합한 합성곱 신경망을 적용하였다. 부호화 거리 함수를 통해 에어포일의 형상과 유동 조건을 이미지 데이터화 하고, 이에 대해 합성곱 신경망을 매개변수화 하였다. 또한, 전산유체역학 해석의 계산 비용으로 인한 부족한 훈련 데이터를 극복하기 위해 투영 기반의 비선형 매니폴드 데이터 증강기법을 개발하였다. NACA 4계열 에어포일은 해석 예제로 고려하여 제안하는 프레임워크의 내삽과 외삽 정확도를 평가하였으며 매니폴드 데이터 증강기법을 적용하여 프레임워크의 정확도 향상을 확인하였다.
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Development of a Reduced Order Model using a Deep Learning-based Manifold-Augmented Approach
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Research Paper
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Computational Analysis of Geometrically Exact Shell Elements Using Multipatch IsoGeometric Analysis
다중 패치 등기하해석을 이용한 기하학적으로 엄밀한 쉘의 전산해석
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Min-Geun Kim, Yeoul Song, Hanmin Lee, Jaeseung Kim
김민근, 송여울, 이한민, 김재승
- In this paper, a multipatch isogeometric analysis method is developed for a multi-connected NURB patch model and applied to geometrically exact shell …
본 논문에서는 다중 연결 NURBS 패치 모델에 대한 등기하해석방법을 제시하고 이를 기하학적으로 엄밀한 쉘의 해석에 적용하였다. 서로 다른 NURBS 패치를 연결할 떼 …
- In this paper, a multipatch isogeometric analysis method is developed for a multi-connected NURB patch model and applied to geometrically exact shell element analysis. When connecting different NURBS patches, isogeometric analysis may become inaccurate due to the density of control point meshes and discontinuity between patches. To solve this problem, Nitsche’s method is applied to the isogeometric analysis method to ensure the compatibility of the displacement and traction between two patches by using a potential function defined as the product of the displacement difference and traction of the two patches. The final derived governing equation is formed as a symmetric stiffness matrix from this potential function. Since the added system matrices from the compatibility boundary conditions are calculated as a boundary integral between patches, the computational cost does not increase significantly. For the positive definiteness of the system equation, appropriate stability parameters are calculated through generalized eigenvalue analysis, and the stability parameters and solution accuracy are analyzed according to the density of the integration meshes between the two patches. This multipatch isogeometric analysis method is applied to geometrically exact shell elements considering first-order shear deformation, and it is confirmed that by using Nitsche’s method in this shell analysis with multiple connected patches results in improved stress continuity as well as displacement continuity between patches.
- COLLAPSE
본 논문에서는 다중 연결 NURBS 패치 모델에 대한 등기하해석방법을 제시하고 이를 기하학적으로 엄밀한 쉘의 해석에 적용하였다. 서로 다른 NURBS 패치를 연결할 떼 조정점 망(control point meshes)의 밀도와 패치간의 불연속성으로 인해 등기하해석이 부정확해질 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 니셰(Nitsche) 방법을 등기하해석법에 적용하여 두 패치 사이의 변위와 견인력(traction)의 정합성(compatibility)을 확보하였고, 최종 유도된 해석 방정식이 대칭성을 유지하도록 하였다. 추가되는 경계 조건은 패치간 경계의 적분으로 표현되기 때문에 계산비용이 크게 증가되지 않는다. 시스템 방정식이 양정 행렬(positive definite matrix)이 되도록 안정성 매개변수(stability parameters)를 도입하였으며 일반화된 고유치 해석을 통해 두 패치사이의 조정점 밀도에 따른 안정성 매개변수의 값과 응력장의 해의 정확성을 분석하였다. 이 다중 패치 등기하해석법을 1차 전단변형을 고려한 기하학적으로 엄밀한 쉘요소의 해석에 적용하였으며, 니셰 방법을 사용함으로써 패치간의 변위 및 응력 연속성이 향상된 결과를 확인 할 수 있었다.
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Computational Analysis of Geometrically Exact Shell Elements Using Multipatch IsoGeometric Analysis
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Research Paper
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Optimal Lattice Structure Thermal Conductivity Design using Machine Learning-based Design Optimization
기계학습 기반 설계 기법을 활용한 격자 구조 열전도도 최적설계
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Taehyeon Kang, Sangryun Lee
강태현, 이상륜
- Lattice structures exhibit good thermal performance due to the high surface-to-volume ratio. Previous studies have investigated the thermal conductivity to improve the …
본 논문에서는 15차 bézier 곡선을 사용하여 기존의 연구보다 더 유연한 빔 형상을 설계하고, 더 넓은 설계 공간에서 최적 설계를 수행하여 최적의 열전도도를 …
- Lattice structures exhibit good thermal performance due to the high surface-to-volume ratio. Previous studies have investigated the thermal conductivity to improve the performance of lattice structures. However, the conventional approach simplifies the geometry of lattice structures using limited design parameters due to the high computational or experimental costs. This study introduces a lattice structure with optimal thermal conductivity. We propose a lattice beam shape that overcomes the existing design limitations through shape optimization using artificial intelligence. First, the beam shape of the body-centered (BC) lattice structure is modeled as a smooth Bézier curve. Second, the coordinates of the control points of the Bézier curve are randomly set to obtain training data. Finally, the optimal beam shape is designed by generating a beam shape with excellent effective thermal conductivity through a neural network combined with a genetic algorithm. A mechanism of optimized thermal conductivity is suggested and the optimal beam shape is compared with a lattice structure with optimal elastic stiffness. The results of this study are expected to provide an appropriate structural solution for lattice structures under various thermal conditions in the future.
- COLLAPSE
본 논문에서는 15차 bézier 곡선을 사용하여 기존의 연구보다 더 유연한 빔 형상을 설계하고, 더 넓은 설계 공간에서 최적 설계를 수행하여 최적의 열전도도를 갖는 빔 형상을 설계한다. 설계 공간이 넓어지면 그 만큼 계산양이 증가하게 되는데, 고차원 변수 공간에서 효율적으로 작동하는 인공신경망을 사용하여 최적 설계를 가속화하여 계산 한계를 극복하였다. 더 나아가 최적의 탄성계수를 갖는 빔의 형상과 비교하였으며 열전도와 탄성학 사이의 수학적 유사성을 이용하여 빔 형상을 설명한다. 본 연구에서는 인공지능을 활용한 형상 최적설계를 통해 기존의 한계를 뛰어넘는 격자구조의 빔 형상을 제안한다. 먼저, SC(Simple Cubic), BC(Body Centered Cubic) 격자 구조 빔 형상을 bézier 곡선으로 모델링하고 bézier 곡선의 제어점 좌표를 무작위로 설정하여 학습데이터를 확보하였다. NN(Neural Network) 및 GA(Genetic Algorithm)를 통해 우수한 유효 열전도도를 가진 빔 형상을 생성하여 최적의 빔 형상을 설계하였다. 본 연구를 통해 추후 다양한 열 조건에서 격자구조의 적절한 구조적 해답을 제시할 수 있을 것으로 기대된다.
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Optimal Lattice Structure Thermal Conductivity Design using Machine Learning-based Design Optimization