Shape Design Optimization of Electrode for Maximal Dielectrophoresis Forces

Hong-Yeon Jeong; Seonho Cho

doi:10.7734/COSEIK.2019.32.4.223

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2019 Vol.32, Issue 4 Preview Page Next Page

Shape Design Optimization of Electrode for Maximal Dielectrophoresis Forces 최대 유전영동력을 위한 전극의 형상 최적설계

2019. pp. 223-231

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Abstract

A continuum-based design sensitivity analysis(DSA) method is developed for electrostatic problems. To consider high order objective functions, we use 9-node finite element basis functions for analysis and DSA methods. As the design variables are parameterized with B-spline functions, smooth boundary variations are naturally obtained. To solve mesh entanglement problems during the optimization process, a mesh regularization scheme is employed. By minimizing the Dirichlet energy functional, mesh uniformity can be automatically achieved. In numerical examples for maximizing dielectrophoresis forces, the numerical results are compared with well-known electrode geometries and the obtained characteristics are discussed.

Keywords

electrostatic problem

shape design sensitivity

optimal electrode geometry

mesh regularization

dielectrophoresis

정전기 문제에 대한 연속체 기반 설계 민감도 해석(DSA) 방법을 해석적으로 유도하였다. 고차 항을 포함한 목적 함수를 고려하기 위해 해석 및 DSA 방법을 위해 9 노드 유한요소법 기반 함수를 형상 함수로 사용하였다. 최적화 과정에서의 설계 변수를 B- 스플라인 함수로 매개 변수화하여 비현실적인 형상이 아닌 부드러운 경계를 가진 최적 형상을 얻을 수 있었다. 유한요소법을 이용한 최적화 과정에서 일반적으로 발생하는 메쉬 얽힘 문제를 해결하기 위해 메쉬 균일화 기법을 사용하였 다. 이 기법은 디리쉴릿 에너지 범함수를 최소화함으로써 메쉬 균일성을 자동으로 얻을 수 있게 한다. 몇 가지 수치 예제들 을 통해 DEP 힘을 최대화하기 위한 평행판의 최적 형상을 얻어낸다. 이를 기존에 실험적으로 검증된 평행판의 최적 형상과 비교하여 그 특성을 논의하였다.

키워드

정적 전기장

형상 민감도 해석

전극 형상 최적설계

유전영동

메쉬 균일화

References

Braibant, V., Fluery, C. (1984) Shape Optimal Design using B-Splines, Comput. Methods Appl. Mech. &Eng., 44(3), pp.247~267. 10.1016/0045-7825(84)90132-4

10.1016/0045-7825(84)90132-4

Choi, M.-J., Cho, S. (2015) A Mesh Regularization Scheme to Update Internal Control Points for Isogeometric Shape Design Optimization, Comput. Methods Appl. Mech. &Eng., 285(1), pp.694~713. 10.1016/j.cma.2014.11.045

10.1016/j.cma.2014.11.045

Haug, E.J., Choi, K.K., Komkov, V. (1986) Design Sensitivity Analysis of Structural Systems, Academic Press Inc., New York.

Lee, S.-W., Cho, S. (2013) Isogeometric Shape Design Sensitivity Analysis of Mindlin Plates, J.Comput. Struct. Eng. Inst. Korea, 26(4), pp.255~262. 10.7734/COSEIK.2013.26.4.255

10.7734/COSEIK.2013.26.4.255

Park, J., Kim, B., Choi, S.K., Hong, S., Lee, S.H., Lee, K.I. (2005) An Efficient Cell Separation System using 3D-Asymmetric Microelectrodes, Lab on a Chip, 5(11) pp.1264~1270. 10.1039/b506803g16234950

10.1039/b506803g16234950

Pohl, H.A. (1978) Dielectrophoresis: The Behavior of Neutral Matter in Non-uniform Electric Fields, Cambridge University Press, Cambridge, UK.

Yoon, G.H., Park, J. (2010) Topological Design of Electrode Shapes for Dielectrophoresis based Devices, J. Electrost., 68(6) pp.475~486. 10.1016/j.elstat.2010.06.008

10.1016/j.elstat.2010.06.008

Information

Publisher :Computational Structural Engineering Institute of Korea
Publisher(Ko) :한국전산구조공학회
Journal Title :Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
Journal Title(Ko) :한국전산구조공학회 논문집
Volume : 32
No :4
Pages :223-231
Received Date : 2019-05-30
Revised Date : 2019-06-05
Accepted Date : 2019-06-10
DOI :https://doi.org/10.7734/COSEIK.2019.32.4.223

Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea ISSN:1229-3059(Print) 2287-2302(Online) 한국전산구조공학회 논문집

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