In this work, topology optimization approach for viscoelastic shock isolators is proposed. Viscoelatic shock isolators are subject to fast and small dynamic loads. The objective of the shock isolator is reduction of shock transmitted from a source structure. Small dynamic stiffness is required to have low shock transmissibility. Besides, viscoelastic shock isolators should have enough static stiffness to stably support a static load. Among structural optimization methods, topology optimization is carried out to get a largely improved dynamic performance of viscoelastic shock isolators. However, it is difficult to conduct an optimization of viscoelastic structure subject to dynamic load by using conventional topology optimization method. Therefore, equivalent static loads method is used to propose a systematic and effective topology optimization scheme which is different from conventional topology optimization method.
Topology optimization is conducted by repeated processes between dynamic analysis and static topology optimization. Prony series representation is used to accurately consider the viscoelastic material. Transient dynamic analysis is performed for the viscoelastic material. And then adequate equivalent static loads are defined and calculated. Static topology optimization is performed for equivalent static loads. These repeated processes are called design cycles. New convergence criterion of discrete design cycles is introduced which is different from iteration of conventional topology optimization method. Also design update scheme is suggested between design cycles.
As an example, the suggested topology optimization scheme is applied to the automotive rubber bush that deal with small shock transmitted from road. The topology optimizations are carried out to minimize dynamic stiffness for half-sine shock pulse. To verify the effectiveness of proposed topology optimization scheme, dynamic performance of optimized design is compared with that of original one.
본 연구에서는 점탄성 충격 절연체의 위상최적설계 방안을 제안하였다. 점탄성 충격절연체는 전달되는 충격을 감소시키는 것을 목적으로 한다. 낮은 충격전달률을 갖기 위해서는 작은 동강성이 요구된다. 또한 안정적으로 정하중을 지지하기 위해서 충분한 정강성을 유지해야 한다. 구조최적설계 방법 중 위상최적설계를 수행하여 최적화를 통해 대상물의 동적 성능이 크게 개선되도록 하였다. 하지만 기존의 위상최적설계 방법으로 동하중을 받는 점탄성 구조물의 최적설계를 수행하기에는 어려움이 있다. 따라서 체계적이고 효과적으로 위상최적설계를 수행하기 위해 등가정하중을 이용하는 방안을 제시하였다.
제시된 위상최적설계는 동해석과 정적 위상최적설계의 반복적인 과정으로 수행되었다. 점탄성 재료를 정확하게 고려하기 위해서 프로니 급수를 사용하였다. 점탄성 재료에 대해 과도동적해석을 수행 하였다. 그 뒤 적합한 등가정하중을 정의하고 계산하였다. 정적 위상최적설계는 등가정하중에 대해서 수행되었다. 이러한 반복적인 과정을 설계 주기(design cycle)라고 한다. 불연속적인 특성을 갖는 설계주기는 기존의 위상최적설계의 반복(iteration)과 다른 개념이므로 적합한 수렴조건을 도입하였다. 또한 설계 주기 사이의 설계를 갱신하는 방안을 제안하였다.
위상최적설계 예제로 자동차 고무부쉬(rubber bush)에 대해서 제안된 위상최적설계 방안을 적용하여 최적설계를 수행하였다. 위상최적설계는 반사인(half-sine) 충격펄스에 대한 동강성을 최소화 하도록 수행되었다. 제안된 위상최적설계 방안의 효용성을 확인하기 위해서 최적화된 설계의 동적 성능을 최초설계의 성능과 비교 분석 하였다.
