AI를 사용하여 시간이 많이 걸리는 분석 효과를 짧은 시간에 생성하는 방법
파트 3: 베이지안 메가 슬롯의 적용 예
베이지안 메가 슬롯는 알려진(흰색 상자) 대수식을 사용하여 모양을 알 수 없는 목적 함수 또는 제약 함수(검은색 상자)를 대용으로 근사하는 모델을 사용하여 모델의 추정 오류를 고려하면서 전역 최적 솔루션을 빠른 속도로 검색하는 ``데이터 기반'' 접근 방식입니다 전역 최적해가 존재할 것으로 예상되는 대리 모델 상의 위치에서 목적 함수와 제약 함수의 참값을 평가하고 이를 모델 구축을 위한 샘플 데이터에 적절하게 추가함으로써 모델의 정확도를 높이고 전역 최적해의 발견으로 이어질 수 있습니다 따라서 유체역학, 구조역학 등 대규모 수치해석을 통해 성능을 평가하는 실제 설계 문제에서 베이지안 메가 슬롯는 최소한의 기능 평가 횟수(즉, 현실적인 시간 내)로 최적의 설계를 찾을 수 있는 효과적인 설계 도구이다
여기에서는 저자들이 지금까지 작업한 베이지안 최적화의 응용 사례를 소개합니다
조용한 초음속 여객기의 형상 메가 슬롯
"충격파"라고 불리는 강한 압력 변동은 하늘에서 초음속으로 비행하는 항공기의 여러 부분에서 생성되며, 이것이 아래쪽으로 전파되면서 굳어지고 지상에 "소닉 붐"이라고 불리는 폭발음을 낼 수 있습니다 소닉붐은 지상 환경에 부정적인 영향을 미치기 때문에 콩코드(2003년 퇴역) 등 초음속 여객기는 대륙 상공을 초음속으로 비행하는 것이 허용되지 않았고, 그 항로도 바다로 제한됐다 따라서 차세대 초음속 여객기 개발에서는 항공기의 소음을 줄이는 것이 필요하다
저자는 초음속 여객기의 세 가지 목적 함수인 항력 계수 최소화, 지상 소음 수준 최소화, 날개 굽힘 모멘트 최소화를 설정하고 동체 및 날개 평면의 각 형상(6~22개 설계 변수로 표시)에 대해 베이지안 메가 슬롯를 수행했습니다 그 결과, 세 가지 목적함수 사이에는 강한 상호관계(trade-off)가 존재함을 알 수 있었으며, 각 목적함수별 최적 형상과 특징적인 물리적 현상을 비교 분석함으로써 설계 요구사항 trade-off의 구조를 명확히 하였다 또한, 이러한 trade-off 구조를 바탕으로 기존 설계에 비해 세 가지 목적함수 모두에 대해 균형이 잘 잡혀 있고 우수한 성능을 발휘할 수 있는 중립 최적 형상을 제시하는 데 성공했습니다[1, 2]
자동차 에어컨 송풍기의 형상 메가 슬롯
하이브리드 자동차와 전기 자동차의 등장으로 운전 중 동력 장치 시스템에서 발생하는 소음이 감소하는 경향이 있으며, 운전 편의성을 향상시키기 위해 보다 조용한 차량 내부에 대한 필요성이 커지고 있습니다 자동차 에어컨은 차량 내부 온도를 조절하고 쾌적함을 유지하기 위해 없어서는 안 될 주요 부품이지만, 이제 자동차 에어컨에도 정숙성이 요구됩니다 하지만 차량 내부의 온도를 조절하는 것 외에도 공기를 운전자에게 전달해 체온을 조절하는 역할도 하기 때문에 높은 풍량을 전달할 수 있는 능력이 요구된다 또한, 보행자 보호를 위한 충격흡수 구조의 채용과 풋페달 조작을 위한 공간 확보로 인해 차량용 에어컨을 설치할 수 있는 공간이 줄어들고 있습니다
따라서 저자는 자동차 에어컨 송풍기의 총 압력 효율 최대화 및 소음 수준 최소화라는 두 가지 목적 함수를 설정하고 다중 블레이드 팬(작업 공기에 운동 에너지를 제공하고 바람을 내보냄)과 스크롤(운동 에너지를 압력으로 변환)의 각 모양(15개의 설계 변수로 표시)에 대해 베이지안 메가 슬롯를 수행했습니다 그 결과, 메가 슬롯 전의 현재 설계와 비교하여 다중 블레이드 팬에서 두 가지 목적함수에 대해 우수한 최적 형상을 검색하고 흐름 분리를 억제할 수 있는 것으로 나타났습니다 또한, 베이지안 메가 슬롯를 통해 얻은 최적의 형상을 실제로 제작하고 성능을 측정한 결과, 효율성과 소음 모두 개선된 것으로 나타났다[3]
방열판 토폴로지 메가 슬롯
기존 설계 문제에서는 대부분의 메가 슬롯 대상이 치수, 모양 등의 "외형 모양"이었습니다 그러나 최근 3D 프린터를 활용한 적층가공 기술이 등장하면서 외형뿐만 아니라 내부 구조까지 자유자재로 성형하는 것이 가능해졌다 이러한 내부 구조와 같은 디자인의 "토폴로지"(위상)를 메가 슬롯하려는 노력이 최근 주목을 받고 있습니다 그러나 형상만 표현하는 것에 비해 토폴로지를 표현하는데 필요한 설계 변수의 수가 압도적으로 많아 메가 슬롯 문제가 훨씬 더 어렵다
저자는 CPU와 같은 고온 장치의 열을 배출하는 데 사용되는 방열판 구조의 토폴로지를 개선하기 위해 베이지안 메가 슬롯를 사용했습니다 기존의 방열판은 단순한 구조(예: pin-fin 유형)에 국한되어 있지만, 여기서는 최신 적층 제조를 사용하여 형성할 수 있는 격자형 구조를 설계하려고 했습니다 방열 성능 극대화와 방열판 부피 최소화(즉, 재료비)라는 두 가지 목적 함수를 설정하고 격자 구조의 베이지안 메가 슬롯(68개 설계 변수로 표현)를 수행했습니다 그 결과, 기존 핀 핀 구조보다 재료비를 낮게 유지하면서 더 높은 열 배출 성능을 달성할 수 있는 세계 유일의 격자 구조를 만드는 데 성공했습니다 또한 메가 슬롯된 격자구조에 의해 생성되는 이상적인 열수력 현상을 규명하였다[4]
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참고자료
- [1] Jim, TMS, Faza, GA, Palar, PS, Shimoyama, K: 저붐 초음속 날개 평면형의 베이지안 메가 슬롯 AIAA 저널, 59(11): 4514–4529(2021)https://doiorg/102514/1J060225
- [2] Jim, TMS, Faza, GA, Palar, PS, Shimoyama, K: 저붐 초음속 운송 계획의 다목적 대리 지원 메가 슬롯 및 탐색 항공우주 과학 및 기술, 128: 조항 107747(2022)https://doiorg/101016/jast2022107747
- [3] Kamada, M, Shimoyama, K, Sato, F, Washiashi, J, Konishi, Y: 자동차 에어컨의 고효율 및 저소음 송풍 장치의 다목적 설계 메가 슬롯 기계 공학 협회 간행물, 파트 D: Journal of Automobile Engineering, 233(13): 3493–3503(2019)https://doiorg/101177/0954407019827131
- [4] Shimoyama, K, Komiya, A: 자연 대류에서 격자 구조 방열판의 다목적 베이지안 토폴로지 메가 슬롯 구조적 및 다분야 메가 슬롯, 65: 기사 번호 1(2022)https://doiorg/101007/s00158-021-03092-x
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