구조 성능 기반 토폴로지 최적화를 통한 초경량 제품설계 기준 연구 - 드론암 설계를 중심으로

• 영문명: A Study on Ultra-Lightweight Product Design Guidelines Based on Structural Performance-Driven Topology Optimization : Focusing on a Drone Arm Design
• 발행기관: 한국산업기술융합학회(구. 산업기술교육훈련학회)
• 저자명: 강민수
• 간행물 정보: 『산업기술연구논문지』제31권 2호, 1~12쪽, 전체 12쪽
• 주제분류: 공학 > 산업공학
• 파일형태: PDF
• 발행일자: 2026.06.30

국문 초록

본 연구는 구조 성능 기반 토폴로지 최적화를 활용한 초경량 제품설계 기준을 제안하고 그 유효성을 검증하는 것을 목적으로 한다. 이를 위해 설계영역 정의, 유한요소해석(FEA), 토폴로지 최적화, 형상 재구성 및 성능 검증으로 구성된 통합 설계 프로세스를 제안하였다. 드론 암을 사례로 Siemens NX Simcenter 3D를 이용하여 구조 해석 및최적화를 수행하였다. 그 결과 질량은 35.0% 감소하였으며, 최대 응력과 최대 변위는 각각 23.2%와 31.3% 감소하였 다. 또한 구조 강성, 안전율 및 1차 고유진동수는 각각 45.0%, 31.9%, 44.6% 향상되었다. 연구 결과는 토폴로지 최적화가 경량화와 구조 성능 향상을 동시에 달성할 수 있음을 보여주었으며, 자동차, 항공 우주 및 전자제품 분야에 적용 가능한 초경량 제품설계 기준을 제시하였다.

영문 초록

As demands for energy efficiency, carbon reduction, and improved product performance increase, lightweight design has become an important technology in modern product development. This study proposed ultra-lightweight product design guidelines based on structural performance-driven topology optimization. An integrated design process consisting of design space definition, finite element analysis, topology optimization, geometry reconstruction, and performance validation was established. A drone arm was selected as the case study subject and optimized using a Siemens NX Simcenter 3D with the SIMP algorithm and a volume fraction constraint of 35%. The results showed a 35.0% reduction in mass, whereas the maximum stress and displacement decreased by 23.2% and 31.3%, respectively. Additionally, the structural stiffness, safety factor, and first natural frequency improved by 45.0%, 31.9%, and 44.6%, respectively. These results revealed that topology optimization can simultaneously achieve significant weight reduction and enhanced structural performance. Therefore, the proposed methodology provides design guidelines for applying topology optimization to lightweight structures in automotive, aerospace, and consumer electronics.

목차

Ⅰ. 서 론

Ⅱ. 구조 성능 기반 경량화 제품설계

Ⅲ. 토폴로지 최적화와 초경량 제품설계 적용

Ⅳ. 결 론

References

키워드

토폴로지 최적화 초경량 제품설계 구조 성능 구조 최적화 경량화 설계 Topology Optimization Ultra-Lightweight Product Design Structural Performance Structural Optimization Lightweight Design

참고문헌

• Journal of the Korean Society of Mechanical Engineers A
• Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
• Structural and Multidisciplinary Optimization
• Journal of the Korean Society of Mechanical Engineers A
• Designs