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KR102286756B1 - 격자구조 생성 알고리즘을 이용한 설계방법 - Google Patents

격자구조 생성 알고리즘을 이용한 설계방법 Download PDF

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KR102286756B1
KR102286756B1 KR1020190022771A KR20190022771A KR102286756B1 KR 102286756 B1 KR102286756 B1 KR 102286756B1 KR 1020190022771 A KR1020190022771 A KR 1020190022771A KR 20190022771 A KR20190022771 A KR 20190022771A KR 102286756 B1 KR102286756 B1 KR 102286756B1
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design method
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최해준
김남훈
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울산과학기술원
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Abstract

본 발명의 일실시예에 따른 설계방법은 (A) 컴퓨터는 설계 대상에 존재하는 다양한 응력조건에 따른 응력분포를 분석하기 위한 구조분석을 수행하는 단계; (B) 상기 컴퓨터는 구조분석된 설계 대상에 대한 격자분석을 수행하는 단계; (C) 상기 컴퓨터가 빌딩 블록이 적용될 격자 각각에 대한 평균 응력 정보를 검출하는 단계; 및 (D) 상기 컴퓨터가 상기 빌딩 블록을 적용하고 상기 격자의 구조를 조립하여 설계하는 단계;를 포함한다.

Description

격자구조 생성 알고리즘을 이용한 설계방법{Design method of using lattice structure generation algorithm}
본 발명은 격자구조 생성 알고리즘을 이용한 설계방법에 관한 것으로, 특히 응력분포에 대해 위상 최적화된 단위 셀 구조를 이용하여 전체 구조를 격자구조로 생성하는 알고리즘을 이용한 설계방법에 관한 것이다.
3D 프린팅으로도 알려진 3차원 프린팅은 쾌속 조형을 위해 개발된 적층 가공 기술이다. 이 기술은 80년대 중반에 CAD 데이터 파일로부터 실제의 물체를 제조하기 위한 새로운 방법으로 나타났다. 여기서, CAD는 컴퓨터 이용 설계(Computer Aided Design)를 의미한다.
따라서, 오퍼레이터는 컴퓨터 모니터 상에 CAD 툴(tool)을 사용하여 2차원 모드 또는 3차원 모드로 물체를 설계한다. 이후, 얻어진 3D 데이터는 특정한 프린터로 보내지고, 프린터는 최종 물체를 얻기 위해 재료들을 얇은 조각들로 잘라서 다층으로 증착 또는 고체화한다. 이러한 3D 프린팅은 재료 층들의 적층에 의해 기계가공 없이 실제의 물체에 대한 프로토타입(prototype)을 제공할 수 있다.
그러나 이러한 3D 프린팅을 위한 3차원 설계는 물체의 응력 제한이나 체적 제한과 같은 제약조건을 만족하면서 가장 최고의 성능을 끌어낼 수 있는 물체의 구조를 최적화하는 것이 목적이다.
이때, 설계자의 요구조건에 따른 구조 최적화는 크기(sizing), 형상(shape) 및 위상 최적화(topology optimization)로 나누어지며, 특히 위상 최적화의 경우 구조 내의 구멍 생성과 경계면의 최적화를 동시에 수행, 즉 위상 최적화와 형상 최적화를 동시에 수행할 수 있다.
이러한 구조 최적화를 수행하기 위해 제안된 방법으로 예컨대 LSM(Level Set Method)이 있다. LSM은 Hamilton-Jacobi 방정식을 이용하여 구조물의 경계를 최적화, 즉 형상 최적화를 수행하며, 초기 형태에 많은 구멍을 생성하거나, Hamilton-Jacobi 방정식에 형상 민감도만이 아닌 위상(구멍) 민감도를 표현하는 항을 추가하게 되면 형상 최적화와 위상 최적화를 동시에 수행할 수 있다.
하지만, 이러한 종래의 설계 최적화 방법은 격자 구조를 설계하는 시간이 너무 오래 소요되고, 최적화된 격자 구조를 설계하는데 유한요소법, 위상 최적화 및 재료 역학 등에 대한 복잡한 이론에 대한 이해도 필요하다는 문제점이 있다.
특허문헌 : 등록특허공보 제10-1612690호
본 발명은 상기 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 응력분포에 대해 위상 최적화된 단위 셀 구조를 이용하여 전체 구조를 격자구조로 생성하는 알고리즘을 이용한 설계방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 격자구조를 생성하는 알고리즘을 이용하여 설계 시간을 줄일 수 있는 설계방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 설계방법은 (A) 컴퓨터는 설계 대상에 존재하는 다양한 응력조건에 따른 응력분포를 분석하기 위한 구조분석을 수행하는 단계; (B) 상기 컴퓨터는 구조분석된 설계 대상에 대한 격자분석을 수행하는 단계; (C) 상기 컴퓨터가 빌딩 블록이 적용될 격자 각각에 대한 평균 응력 정보를 검출하는 단계; 및 (D) 상기 컴퓨터가 상기 빌딩 블록을 적용하고 상기 격자의 구조를 조립하여 설계하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 일실시예에 따른 설계방법에서 상기 (A) 단계는 상기 설계 대상에 존재하는 로드(load)와 지지력을 포함한 외력 조건 및 설계요구사항에 따른 구조분석을 수행하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일실시예에 따른 설계방법에서 상기 (B) 단계는 (B-1) 상기 설계 대상의 설계 공간을 다수의 격자로 분할하는 단계; (B-2) 상기 격자 각각을 다수의 단위 셀로 분할하는 단계; 및 (B-3) 상기 단위 셀 각각에 대해 각각의 축 방향의 수직 로드 및 전단 로드를 포함한 응력 분포를 분석하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일실시예에 따른 설계방법에서 상기 (C) 단계는 상기 컴퓨터가 상기 단위 셀 각각에 대한 구조함수(Bijk)의 응력 절대값이 상기 격자의 평균 응력 절대값보다 큰 빌딩 블록을 라이브러리화된 다수의 빌딩 블록 DB에서 채용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일실시예에 따른 설계방법에서 상기 빌딩 블록은 (ⅰ) 빌딩 블록 사이의 연결이 격자 구조를 형성하는 것을 보장할 것, (ⅱ) 빌딩 블록의 내부 구조가 다양한 응력 조건에 따라 최적화될 것, (ⅲ) 응집집중현상을 보상하기 위해 빌딩 블록의 내부 모서리 부분이 둥근 형태를 가질 것 및 (ⅳ) 소정의 안전계수(safety factor)를 가지면서 최소 중량을 가질 것 중 어느 하나의 특징을 만족하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일실시예에 따른 설계방법에서 상기 (B) 단계는 상기 빌딩 블록의 내부 응력을 해석하기 위해 모어의 원(Mohr's Circle)을 이용하여 내부 응력을 해석하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고, 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명의 실시예에 따른 설계방법은 설계 대상에 대해 빌딩 블록을 이용하여 최적화된 격자 구조를 생성하고, 적합한 빌딩 블록을 라이브러리화된 다수의 빌딩 블록 DB에서 채용하여 격자 구조를 조립 설계하는 효과가 있다.
본 발명의 실시예에 따른 설계방법은 종래의 위상 최적화 프로그램을 이용한 설계방법보다 설계시간을 줄일 수 있어서 설계 시간의 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 설계방법을 설명하기 위한 순서도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 설계방법의 격자분석을 설명하기 위한 예시도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 설계방법에서 적용되는 빌딩블록의 생성을 설명하기 위한 예시도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 설계방법에서 적용되는 빌딩블록의 라이브러리를 나타낸 예시도.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 설계방법이 적용되는 제 1 설계 대상의 예시도.
도 6은 도 5의 제 1 설계 대상에 대해 격자분할을 수행한 예시도.
도 7은 도 5의 제 1 설계 대상에 대한 응력분포를 도시한 예시도.
도 8은 도 5의 제 1 설계 대상에 대해 빌딩블록을 적용한 예시도.
도 9는 도 5의 제 1 설계 대상에 대해 본 발명의 실시예에 따른 설계방법이 적용된 결과를 나타낸 예시도.
도 10은 도 5의 제 1 설계 대상에 대해 종래의 설계방법으로 구현된 결과를 나타낸 예시도.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 설계방법이 적용되는 제 2 설계 대상의 예시도.
도 12는 도 11의 제 2 설계 대상에 대해 본 발명의 실시예에 따른 설계방법이 적용된 결과를 나타낸 예시도.
도 13은 도 11의 제 2 설계 대상에 대해 종래의 설계방법으로 구현된 결과를 나타낸 예시도.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 설계방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 설계방법의 격자분석을 설명하기 위한 예시도이며, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 설계방법에서 적용되는 빌딩블록의 생성을 설명하기 위한 예시도이며, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 설계방법에서 적용되는 빌딩블록의 라이브러리를 나타낸 예시도이다.
본 발명의 실시예에 따른 설계방법은 컴퓨터를 이용하여 3차원 프린팅 기술의 특징을 활용한 적층제조 특화 설계(Design for Additive Manufacturing; DFAM)를 위한 설계방법으로, 먼저 컴퓨터는 설계 대상에 존재하는 다양한 응력조건에 따른 응력분포를 분석하기 위한 구조분석을 수행한다(S110).
예를 들어, 본 발명의 실시예에 따른 설계방법은 도 5와 도 11에 도시된 설계 대상(100,200)에 대해 유효 강비(effective stiffness), 기본 공명주파수(fundamental resonance frequency), 최대 변위(maximum displacement) 및 응력 분포(stress distribution) 등을 분석하는 구조분석을 수행, 즉 설계 대상에 존재하는 로드(load)와 지지력을 포함한 외력 조건 및 설계요구사항에 따른 구조분석을 수행할 수 있다.
이때, 효율적인 구조 해석을 위하여, 컴퓨터는 설계 대상의 전체 구조를 사면체(Tetrahedron) 혹은 육면체(Hexahedron)의 메쉬(mesh)로 나누어 구조 해석을 수행할 수 있다.
이에 따라 설계 대상(100,200)에 존재하는 로드(F4)와 지지력(F1,F2,F3)과 같은 외력 조건 및 사용자의 요구에 따른 설계 대상(100,200)의 내구력, 인장 정도, 중량 등의 설계요구사항에 따른 설계 대상(100,200)의 변형 정도를 분석하여, 각각의 축 방향의 수직 로드 및 전단 로드를 포함한 응력 분포를 검출할 수 있다.
구조분석을 수행한 후, 컴퓨터는 구조분석된 설계 대상에 대한 격자분석을 수행한다(S120).
구체적으로, 컴퓨터는 도 2에 도시된 바와 같이 변형 정도를 검출한 구조분석의 결과를 감안하여 설계 대상(100)의 내부 설계공간을 다수의 격자(110)로 분할한다.
이때, 격자(110)의 형태는 설계 대상(100)의 설계공간은 예컨대 사면체 또는 육면체 등과 같은 3차원 다각형, 바람직하게 정육면체(cubic cell)를 이용할 수 있다. 여기서, 본 발명의 실시예에 따른 설계방법은 설명의 편의을 위해 3차원 다각형을 대신하여 2차원 도형 구조로 도시하여 설명한다.
또한, 격자(110)의 개수는 구조분석의 결과 및 다각형 형태에 따라 결정된다.
이에 따라 컴퓨터는 도 2에 도시된 바와 같이 설계 대상(100)의 설계공간을 정육면체의 단면으로 정사각형 형태를 갖는 10개의 격자(110)로 분할하고, 구체적으로 도 6에 도시된 바와 같이 각각의 격자(110)를 다시 정사각형 형태를 갖는 다수의 단위 셀(111)로 분할한다.
다수의 단위 셀(111)로 분할한 설계 대상(100)의 설계공간에 대해, 컴퓨터는 도 7에 도시된 바와 같이 각 단위 셀(111)과 함께 응력 분포를 도시할 수 있다.
이렇게 분할된 다수의 단위 셀(111) 각각에 대해 컴퓨터는 도 3에 도시된 바와 같이 각각의 축 방향의 수직 로드 및 전단 로드를 포함한 응력 분포로서, x 방향 수직 로드(normal load: σx), y 방향 수직 로드(σy) 및 xy 방향 전단 로드(shear load:τxy)를 분석한다.
컴퓨터는 이러한 x 방향 수직 로드(σx), y 방향 수직 로드(σy) 및 xy 방향 전단 로드(τxy)으로 구성된 응력 벡터(σBijk)에 따라 적합한 빌딩 블록을 구현하기 위해, 아래의 [수학식 1]과 같은 구조함수(Bijk)를 구하여 최적화된 빌딩 블록을 구현한다.
Figure 112019020318929-pat00001
(i={1,2,...,n}, j={1,2,...,m}, k={1,2,...,l}, n,m,l은 응력변수의 개수, ai, bj 및 ck는 각 응력 벡터별 컴포넌트, σx는 x 방향 수직 로드, σy는 y 방향 수직 로드, τxy는 xy 방향 전단 로드)
이에 따라 컴퓨터는 도 3에 도시된 바와 같이 응력 벡터(σBijk)에 따른 다양한 내부 형태를 갖는 다수의 빌딩 블록을 구현하여, 도 4에 도시된 다수의 빌딩 블록을 DB(Data Base)화하여 라이브러리(Library)를 구성할 수 있다.
이때, 도 4에 도시된 라이브러리된 다수의 빌딩 블록은 예컨대 -8 MPa에서 8 MPa의 범위를 갖는 ai, -4 MPa에서 4 MPa의 범위를 갖는 bj, -3 MPa에서 3 MPa의 범위를 갖는 ck에 대해 구현된 것으로, 이에 한정되지 않고 다양한 응력 범위를 갖는 ai, bj, ck에 대해 구현되어 라이브러리화될 수 있다.
이러한 빌딩 블록은 최적화를 위해 몇가지 특징을 만족하여, (ⅰ) 빌딩 블록 사이의 연결이 격자 구조를 형성하는 것을 보장할 것, (ⅱ) 빌딩 블록의 내부 구조가 다양한 응력 조건에 따라 최적화될 것, (ⅲ) 응집집중현상을 보상하기 위해 빌딩 블록의 내부 모서리 부분이 둥근 형태를 가질 것 및 (ⅳ) 소정의 안전계수(safety factor)를 가지면서 최소 중량을 가질 것 등이다. 이때, (ⅱ)의 특징은 빌딩 블록의 내부 공간이 위상 최적화(Topology Optimization)를 위해 충분한 디자인 공간을 가져야 한다는 것을 의미하고, (ⅲ)의 특징은 빌딩 블록의 내부 모서리 부분에서 발생하는 응력 집중을 해소하기 위한 것이다.
이러한 빌딩 블록은 도 4에 도시된 바와 같이 ai, bi, ck의 응력값 대칭에 따라 내부 구조 또한 대칭적으로 구현된다. 즉, 도 4에 도시된 빌딩 블록은 ai, bi, ck의 응력값을 참조하여 내부구조가 구현될 수도 있다.
또한, 컴퓨터는 빌딩 블록의 내부 응력을 해석하기 위해 예컨대 모어의 원(Mohr's Circle)을 이용하여 내부 응력을 해석할 수 있다.
이후, 컴퓨터는 이러한 빌딩 블록이 적용될 각 격자(110)에 대한 평균 응력 정보를 검출한다(S130).
구체적으로, 각 격자(110)에 대한 평균 응력(
Figure 112019020318929-pat00002
)은 아래의 [수학식 2]와 같이 각 격자(110)를 구성하는 단위 셀(111) 각각의 응력(
Figure 112019020318929-pat00003
) 총합을 단위 셀(111)의 총 개수(m)로 나누어 구한다.
Figure 112019020318929-pat00004
(
Figure 112019020318929-pat00005
는 각 격자(110)에 대한 평균 응력,
Figure 112019020318929-pat00006
는 단위 셀(111) 각각의 응력, m은 단위 셀(111)의 총 개수)
이렇게 구한 각 격자(110)에 대한 평균 응력을 이용하여, 컴퓨터는 아래의 [수학식 3]에 따라 각 단위 셀(111)에 대한 구조함수(Bijk)의 응력(
Figure 112019020318929-pat00007
) 절대값이 평균 응력(
Figure 112019020318929-pat00008
)의 절대값보다 큰 빌딩 블록을 라이브러리화된 다수의 빌딩 블록 DB에서 채용한다.
Figure 112019020318929-pat00009
(
Figure 112019020318929-pat00010
는 평균 응력,
Figure 112019020318929-pat00011
는 구조함수(Bijk)의 응력, c는 x,y 및 xy와 같은 응력의 구성요소를 나타냄)
구조함수(Bijk)의 응력 절대값이 평균 응력의 절대값보다 큰 빌딩 블록을 채용하는 이유는 각각의 격자(110)가 시뮬레이션 상에서 예측된 평균 응력 이상을 견딜 수 있으면 각각의 격자(110)를 합친 전체 구조가 상정된 응력을 견딜 수 있을 것으로 판단하기 때문이다.
또한, [수학식 3]의 두 번째 조건은 빌딩 블록이 각각의 격자(110)에 걸리는 응력 조건을 견딜 수 있어야 하기 때문에, 구조함수(Bijk)의 응력이 평균 응력의 부호와 동일해야 하는 것을 나타낸다.
이와 같이 빌딩 블록을 채용한 후, 컴퓨터는 각 단위 셀(111)에 빌딩 블록을 적용하고 격자(110)의 구조를 조립하여 설계한다(S140).
즉, 컴퓨터는 도 8에 도시된 바와 같이 각 단위 셀(111)에 빌딩 블록을 적용하고 조립하여 제 1 설계 대상(100)에 대해 주어진 응력 분포에 각각의 격자(110)를 최적화한 구조를 설계하거나, 또는 도 12에 도시된 바와 같이 제 2 설계 대상(200)에 대해 주어진 응력 분포에 최적화한 구조를 설계할 수 있다.
이러한 격자 구조의 설계정보를 참조하여 컴퓨터는 3D 프린팅 장치에서 적층 제조하여, 제 1 설계 대상(100)을 도 9에 도시된 형태의 구조물로 제조할 수 있다.
비교예
도 5에 도시된 제 1 설계 대상(100)에 대해 동일한 컴퓨터가 종래의 위상 최적화 프로그램으로 solidThinking® Inspire 2018을 사용하여 위상 최적화 설계를 수행하고, 그 결과로 도 10에 도시된 구조를 설계했다.
이에 따라, 도 8과 도 9의 결과로 나타낸 본 발명의 실시예와 도 10의 결과로 나타난 비교예를 비교하면, 아래의 [표 1]에 정리할 수 있다.
비교예 실시예
중량 93.56 g 94.51 g
최대 변위 0.0786 mm 0.1126 mm
최대 응력 2.627 MPa 3.205 MPa
처리 시간 4779 초 74 초
[표 1]에서 알 수 있듯이, 최대 변위 측면에서 실시예가 비교예보다 큰 값을 갖는 것은 실시예의 유효 강비(effective stiffness)가 비교예보다 높다는 것을 나타내고, 특히 처리 시간의 측면에서 실시예가 비교예보다 월등하게 시간을 줄여 설계 시간의 효율을 향상시킬 수 있다.
이하, 다른 설계 대상을 이용하여 실시예와 비교예를 비교하기 위해, 도 11에 도시된 제 2 설계 대상(200)에 대해 본 발명의 실시예에 따른 설계방법으로 설계한 제 2 실시예와 종래의 위상 최적화 프로그램으로 solidThinking® Inspire 2018을 사용하여 위상 최적화 설계를 수행한 비교예 2를 비교한다.
제 2 실시예의 결과는 도 12에 도시된 바와 같이 20개의 격자 구조로 분할되고 최적화된 빌딩 블록이 적용된 구조로 설계되는 반면에, 비교예 2에 따른 결과는 도 13에 도시된 구조로 설계된다.
이러한 제 2 설계 대상(200)에 대한 제 2 실시예와 비교예 2를 비교하면, 아래의 [표 2]에 정리할 수 있다.
비교예 2 제 2 실시예
중량 10.572 Kg 12.19 Kg
최대 변위 11.70 mm 13.41 mm
최대 응력 204.3 MPa 77.8 MPa
처리 시간 2026 초 41 초
[표 2]에서 알 수 있듯이, 최대 변위 측면에서 제 2 실시예가 비교예 2보다 큰 값을 갖는 것은 제 2 실시예의 유효 강비(effective stiffness)가 비교예 2보다 높아 덜 유용하다는 것을 나타내지만, 처리 시간의 측면에서 제 2 실시예가 비교예 2보다 월등하게 시간을 줄여 설계 시간의 효율을 향상시킬 수 있다.
이와 같이 본 발명의 실시예에 따른 설계방법은 설계 대상에 대해 빌딩 블록을 이용하여 최적화된 격자 구조를 생성하고, 적합한 빌딩 블록을 라이브러리된 다수의 빌딩 블록 DB에서 채용하여 격자 구조를 조립 설계하는 데 특징이 있다.
이에 따라 본 발명의 실시예에 따른 설계방법은 종래의 위상 최적화 프로그램을 이용한 설계방법보다 설계시간을 줄일 수 있어서 설계 시간의 효율을 향상시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시 예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
본 발명은 특정 기능들 및 그의 관계들의 성능을 나타내는 방법 단계들의 목적을 가지고 위에서 설명되었다. 이러한 기능적 구성 요소들 및 방법 단계들의 경계들 및 순서는 설명의 편의를 위해 여기에서 임의로 정의되었다. 상기 특정 기능들 및 관계들이 적절히 수행되는 한 대안적인 경계들 및 순서들이 정의될 수 있다. 임의의 그러한 대안적인 경계들 및 순서들은 그러므로 상기 청구된 발명의 범위 및 사상 내에 있다. 추가로, 이러한 기능적 구성 요소들의 경계들은 설명의 편의를 위해 임의로 정의되었다. 어떠한 중요한 기능들이 적절히 수행되는 한 대안적인 경계들이 정의될 수 있다. 마찬가지로, 흐름도 블록들은 또한 어떠한 중요한 기능성을 나타내기 위해 여기에서 임의로 정의되었을 수 있다. 확장된 사용을 위해, 상기 흐름도 블록 경계들 및 순서는 정의되었을 수 있으며 여전히 어떠한 중요한 기능을 수행한다. 기능적 구성 요소들 및 흐름도 블록들 및 순서들 둘 다의 대안적인 정의들은 그러므로 청구된 본 발명의 범위 및 사상 내에 있다.
본 발명의 기술사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 전술한 실시예들은 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다.
또한, 본 발명의 기술분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 다양한 실시가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
100,200: 설계 대상 110: 격자
111: 단위 셀

Claims (6)

  1. (A) 컴퓨터는 설계 대상에 존재하는 다양한 응력조건에 따른 응력분포를 분석하기 위하여 유효 강비(effective stiffness), 기본 공명주파수(fundamental resonance frequency), 최대 변위(maximum displacement) 및 응력 분포(stress distribution)를 분석하는 구조분석을 수행하는 단계;
    (B) 상기 컴퓨터는 구조분석된 설계 대상에 대한 격자분석을 수행하는 단계;
    (C) 상기 컴퓨터가 빌딩 블록이 적용될 격자 각각에 대한 평균 응력 정보를 검출하는 단계;
    (D) 상기 컴퓨터가 상기 빌딩 블록을 적용하고 상기 격자의 구조를 조립하여 설계하는 단계; 및
    (E) 기 컴퓨터가 3D 프린팅 장치에서 적층 제조하기 위하여 상기 (D) 단계에서 설계가 완료된 상기 설계 대상 정보를 참조하는 단계;
    를 포함하며,
    상기 (B) 단계는
    (B-1) 상기 설계 대상의 설계 공간을 다수의 격자로 분할하는 단계;
    (B-2) 상기 격자 각각을 다수의 단위 셀로 분할하는 단계; 및
    (B-3) 상기 단위 셀 각각에 대해 각각의 축 방향의 수직 로드 및 전단 로드를 포함한 응력 분포를 분석하는 단계;
    를 더 포함하는 설계방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 (A) 단계는 상기 설계 대상에 존재하는 로드(load)와 지지력을 포함한 외력 조건 및 설계요구사항에 따른 구조분석을 수행하는 것을 특징으로 하는 설계방법.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 (C) 단계는
    상기 컴퓨터가 상기 단위 셀 각각에 대한 구조함수(Bijk)의 응력 절대값이 상기 격자의 평균 응력 절대값보다 큰 빌딩 블록을 라이브러리화된 다수의 빌딩 블록 DB에서 채용하는 것을 특징으로 하는 설계방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 빌딩 블록은 (ⅰ) 빌딩 블록 사이의 연결이 격자 구조를 형성하는 것을 보장할 것, (ⅱ) 빌딩 블록의 내부 구조가 다양한 응력 조건에 따라 최적화될 것, (ⅲ) 응집집중현상을 보상하기 위해 빌딩 블록의 내부 모서리 부분이 둥근 형태를 가질 것 및 (ⅳ) 소정의 안전계수(safety factor)를 가지면서 최소 중량을 가질 것 중 어느 하나의 특징을 만족하는 것을 특징으로 하는 설계방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 (B) 단계는 상기 빌딩 블록의 내부 응력을 해석하기 위해 모어의 원(Mohr's Circle)을 이용하여 내부 응력을 해석하는 것을 특징으로 하는 설계방법.
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