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    신진연구자인터뷰는 기계및 건설분야의 세계적인 과학 학술지에 논문을 게재한 한국인 연구자들의 연구성과와 연구자 정보를
    여러 연구자와 기관 등에 소개하고자 기획되었습니다. 대상은 주로 대학원 석사이상의 최근 5년이내 관련분야의
    대표 학술지나 학술대회에 논문을 투고한 사람입니다. 대상문의(ariass@naver.com)

    • 장홍래 (Hong-Lae Jang )
      설계민감도 해석을 통한 비선형 구조의 최적설계
      장홍래 (Hong-Lae Jang )(한국철도연구원)
      이메일:hjang at krri.re.kr
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    1. 본인의 연구에 대해서 소개를 부탁 드립니다.

    저의 연구분야는 비선형 구조해석 및 최적설계입니다. 비선형 문제는 입력에 따른 출력의 거동이 비선형적인 양상으로 나타나는 문제로 제가 집중하고 있는 문제는 유체-구조 연성, 열탄성 등의 다중복합물리체계(Multi-physics)와 분자동역학, 충돌해석과 같은 과도동역학(Transient dynamics) 문제입니다. 설계민감도 해석(Design sensitivity analysis)은 다양한 설계 변수가 변화되었을 때 목적함수에 미치는 영향력을 분석하는 방법론으로 최적설계 과정에서의 해의 정확성과 효율성은 설계민감도 해석 과정에 달려있다고 해도 과언이 아닐 정도로 중요한 과정입니다. 특히 비선형 문제의 경우 그 복잡성과 수렴의 어려움으로 인해 해석시간이 과중하여 설계민감도가 필요 없는 전역 최적설계 기법이 이용되기 어렵고, 설계민감도 해석 또한 수치적 근사를 이용하기 어려운 실정입니다. 예를 들어보겠습니다. 1번의 해석 시간이 1일 걸리는 비선형 문제에 대해서 설계 변수 1개에 대해 직접미분 혹은 유한차분을 통해 설계민감도를 계산하기 위해서는 1일이 추가로 소요됩니다. 설계변수가 30개라면 설계민감도 해석에만 한달이 필요한 실정입니다. 이런 경우 문제 해석에 이용되는 방정식에 적절한 수학적 기법들을 활용하고, 보조 변수법 등의 다른 설계민감도 해석법을 적용하면 설계변수의 개수에 상관없이 해석시간과 비슷하거나 더 적은 시간 내에 설계민감도 해석이 가능하게 됩니다. 저는 이렇듯 비선형 문제의 최적설계에 있어서 계산비용의 획기적 감소를 위한 설계민감도 해석방법을 개발하고 있습니다. 학위과정 및 후속연구를 통해 유체-구조 연성문제 (그림 1) 와 같은 다중복합물리체계 문제는 물론 이를 확장하여, 분자동역학에 기반한 나노재료역학 문제에 적용했습니다. (그림 2, 3)
    유체-구조 연성문제와 같은 다중복합물리체계 문제에서 서로 다른 계의 반복적 계산을 통한 계산비용 부담의 감소는 해석과 최적설계 양 측면에서 중요한 연구 주제로 다루어져 왔습니다. 서로 다른 계를 완전 연성시켜 통합된 접선 강성 행렬로 표현함으로써 비선형 유한요소 응답 해석에서 수렴된 접선 강성 행렬을 설계민감도 해석단계에서 그대로 이용하는 아이디어를 통해 설계 구배 계산에 필요한 비용을 크게 감소시킬 수 있었습니다(해석 시간의 약 4%). 개발된 설계민감도 해석법은 유동 파이프의 탄성 변형 문제에 적용되어 구조물의 변형에너지를 최소화하는 유동 파이프의 형상을 얻을 수 있었습니다. 최적 형상의 경우 구조물의 변형에너지를 최소화한 결과 유체 속도장의 변화가 완만해지고 그에 따른 결과로 압력장의 값이 매우 낮아짐을 알 수 있습니다. 이러한 최적설계는 효율적인 설계민감도 해석을 통해 가능했다고 해도 과언이 아닙니다.


    입자동역학을 이용한 금속 고체재료의 동적 균열진전 문제의 설계민감도 해석에 있어서, 계산비용의 효율 극대화를 위해 병렬연산을 통한 효율적인 설계민감도 해석기법을 제시하였습니다. 주어진 문제에 가장 효율적이라고 알려진 영역분할법을 이용하여 병렬화 연산 프로그램을 제작하여 제안하는 방법론의 효율성을 입증하였는데, 1번의 해석 시간이 4일 걸리는 문제에 대해 약 25만개의 설계변수를 고려하는 경우, 유한차분법과 직접미분법의 경우 설계민감도 해석을 위해서는 응답해석 비용의 25만배가 필요한 반면(약 3,000년의 시간이 필요한 것으로 계산됩니다), 개발된 보조변수법의 경우 해석 비용의 약 1.08배만을 요구하여 뛰어난 효율성을 보였습니다. 일반적으로 이산요소법, 분자동역학 등의 입자동역학 문제의 경우 계산시간의 부담으로 인해 최적설계 분야의 발달이 더디게 진행되었습니다. 본 연구에서 개발된 설계민감도 해석법을 통해 기존의 비선형 과도동역학 문제는 물론 최근 각광받고 있는 분자동역학을 통한 나노재료의 해석 문제에도 최적설계의 가능성이 열렸다고 볼 수 있겠습니다.
    나노역학문제에 대해 개발된 설계민감도 해석 방법을 적용하면 첨단 나노재료의 성능에 대한 설계변수 정량적 영향평가 및 그간 계산 시간의 부담으로 인해 불가능하다 여겨졌던 최적설계 또한 가능해집니다. 구리 나노선의 영률은 실험을 통해 온도가 높아질수록 낮아지는 경향을 보임이 실험적으로 발표되었습니다. 설계변수를 실험온도, 목적함수를 영률로 고려한 구리 나노선의 설계민감도 해석을 통하여 이러한 온도의 영향을 정량적으로 분석 가능합니다. 또한 다이아몬드보다 높은 열전도도로 주목 받고 있는 CNT의 경우 탄소 동위원소의 함량에 따른 열전도도의 변화가 큰 것으로 알려져 있습니다. CNT의 열전도도 측정 문제에 대해 설계민감도 해석법을 개발 및 적용하여 구배 기반 최적설계 알고리듬을 이용하여 최소의 열전도도를 위한 동위원소 최적배치를 구할 수 있었습니다. 현재는 한국철도기술연구원에 입사하여 역시 해석시간 부담이 큰 비선형 문제인 열차 편성충돌안전설계 문제에 대해 에너지 흡수부재의 충격에너지 흡수용량 최적화 기법을 개발하고 있습니다.


    2. 본인의 대표 논문 소개

    [1] Jang, Hong-Lae, et al. "Optimal mass distribution in carbon nanotubes for extreme thermal conductivity: Analytical manipulation of isotope effects." Computational Materials Science 150 (2018): 273-282. https:/doi.org/10.1016/j.commatsci.2018.04.018

    [2] Jang, Hong-Lae, and Seonho Cho. "Adjoint design sensitivity analysis of constant temperature molecular dynamics." International Journal of Mechanics and Materials in Design 13.2 (2017): 243-252. https:/link.springer.com/article/10.1007/s10999-015-9330-1

    [3] Jang, Hong-Lae, and Seonho Cho. "Adjoint shape design sensitivity analysis of molecular dynamics for lattice structures using GLE impedance forces." International Journal of Mechanics and Materials in Design 12.3 (2016): 317-335. https:/link.springer.com/article/10.1007/s10999-015-9305-2

    [4] Jang, Hong-Lae, and Seonho Cho. "Adjoint shape design sensitivity analysis of fluid–solid interactions using concurrent mesh velocity in ALE formulation." Finite Elements in Analysis and Design 85 (2014): 20-32. https:/doi.org/10.1016/j.finel.2014.03.004

    [5] Jang, Hong-Lae, et al. "Reliability-based design optimization of fluid–solid interaction problems." Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science 228.10 (2014): 1724-1742. https:/doi.org/10.1177/0954406213509762


    3. 연구 중에 어떤 극복해야 할 문제가 있었고 이를 어떻게 해결하셨는지?

    모든 연구가 시작은 간단한 아이디어일지라도, 이를 구체화하고 가시적인 성과를 내기 위해서는 늘 간단하지마는 않은 문제가 뒤따라왔습니다. 수학식을 전개하고 이를 검증하기 위해 실험과 수치해석을 병행하는 중간에 문제가 발생하면 문제의 원인이 어디에 있는지조차 찾기 어려운 경우가 많았습니다. 저의 경우 이러한 문제에 대한 해결책은 막힌 연구를 잠시 내려놓고 관심있던 다른 분야 혹은 타 전공 논문을 읽어 보는 것입니다. 연구자가 한가지 생각에만 몰두해 있으면 더욱 시야가 좁아져 문제해결과 멀어지는 것 같습니다. 오히려 전혀 상관없는 듯한 다른 분야의 연구내용을 접하다 보면 새로운 아이디어가 떠오르거나 미처 생각치 못했던 오류가 떠올라 문제해결에 도움이 되었습니다.




    4. 연구활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면?

    열차충돌 분야에 최적설계를 적용하여 안전기준을 만족하는 철도차량을 신속하게 설계할 수 있도록 하는 것이 향후 연구 계획입니다. 특히 철도의 경우 공공교통수단이다 보니 설계과정에서 만족해야 하는 법규들이 많으며, 이러한 부분들이 유럽 철도선진국의 기술 장벽으로 작용하는 현실입니다. 최적설계의 관점에서 이러한 법규 조항들을 제약조건으로 고려하여 충돌안전설계를 효율적으로 수행한다면, 설계 및 제작 과정을 단축하여 수출시장에서의 경쟁력을 제고할 수 있을 것입니다.


    5. 본인이 영향을 받은 다른 연구자나 논문이 있다면?

    지도교수님을 제외하고 학위 과정 중에 WCU (World Class University)사업으로 연을 맺게 된 최적설계 분야의 석학이신 미국 Iowa University의 최경국 교수님(Kyung K. Choi)에게 많은 영향을 받은 것 같습니다. 당시 서울대에서 최적설계 수업을 진행하셨는데 특히 많은 도움이 되었습니다.


    6. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소, 지도교수에 관해 소개 부탁드립니다.

    서울대학교 아이소지오메트릭 최적설계 창의연구단에서 석박사통합과정을 수학하였고, 졸업 후에 2년간 동 연구단 소속 박사 후 과정으로 후속연구를 진행하였습니다. 지도교수님이신 조선호 교수님께서는 제자의 자율성과 창의성을 기르는데 그 목적을 두고 연구환경을 조성해 주셔서 이론적 기반을 쌓는데 큰 도움이 되었습니다. 현재는 한국철도기술연구원의 차량핵심기술연구팀 소속으로 학교에서 연구했던 다양한 최적설계 이론들을 철도 분야에 융합하기 위해 연구 중에 있습니다.




    7. 연구활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람

    학회에 나가 제가 참고했던 논문의 저자들이 제 연구 발표내용에 대해 관심을 표하고 질의응답 시간을 이용해 생산적인 Discussion이 이루어 질 때 가장 큰 자부심과 보람을 느낍니다.


    8. 다른 하시고 싶은 이야기들.

    좋은 인터뷰 기회를 주셔서 감사합니다.

     

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    전체댓글 2

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    |2018.09.12
    열차의 충돌 해석 연구는 설계 단계부터 반영되야하는 중요한 분야입니다. 아주 중요한 연구라고 생각됩니다.
    사용자 프로필 이미지
    |2018.09.12
    추천 감사합니다.
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