최적설계는 설계 사양을 수학적인 모델로 구성하여 목적 함수를 최소화하고, 주 어진 제한 조건을 만족하는 설계 값을 찾아내는 방법으로 성능 최고화, 설계 자 동화 및 개발비용 절감 등을 실현할 수 있게 해 준다.
초기 최적설계의 성능 향상
초기 해석 모델의 성능을 향상시키기 위해서는 해석모델의 설계변수의 변화에 대한 응답함수의 변화를 해 석해서 민감도 정보를 구하고 이를 이용하여 모델의 형상이나 치수를 개선하는 일련의 과정을 거치므로 정확한 설계 민감도 해석은 최적해의 정확성을 보장하 고, 설계변수들의 상대적 중요도를 제공하여 설계방향을 제시해준다.특히 항공기, 선박, 자동차 등으로 대표되는 구조물 설계에서 안전을 고려한 설계, 즉 구조의 강도설계가 중요하다. 이것은 구조물의 파손 또는 파괴로 많은 인명피해가 예상되는 대형사고로 연결되기 때문이다. 그러나 안전성 확보를 위 해서 설계 대상물에 재료나 비용을 무제한적으로 쓸 수도 없다. 항공기나 자동 차 등의 구조설계에서는 안전성과 동시에 경량화 또한 중요시되고 있기 때문이다. 이러한 구조의 경량화를 위해서는 안정성 및 제작비용에 관한 제약조건을 만족하면서 설계목적을 달성할 수 있는 방법이 필요하다. 그러나 구조물의 경량 화를 추구함에 있어서 이미 잘 설계되어 있는 구조물의 경량화는 외부경계의 변 형만으로는 큰 효과를 얻기 어려우며 필연적으로 설계영역 내의 구멍 생성과 같 은 위상적 변화를 시도해야 한다.
최적설계의 적용
아직도 위상 최적설계의 분야에서는 해결해야 할 부분이 많고 그 적용에도 한계가 있으나 구조물의 경량화를 위한 최적설계의 극한을 추구함에 있어서는 위상최적설계의 개념이 요구되고 있다.기계공학에서의 역학 문제를 풀기 위해서 사용되는 방법으로는 크게 이론식에 의한 방법, 그리고 실험에 의한 방법, 마지막으로 수치기법에 의한 방법으로 나 눌 수 있다. 먼저 이론식에 의한 방법은 정확한 해를 구할 수 있다는 장점이 있 는데 반해서 사용 범위가 극히 제한되어 있다. 즉 간단한 모델에 대해서만 계산 이 가능하다. 그리고 실험에 의한 방법은 다양한 모델에 대해서 사용될 수 있지 만 모델의 크기가 클 때는 사용하기 힘들다. 또한 모델 내부의 응력 또는 변위를 감지하기도 힘들다. 이에 반해서 유한요소법을 기반으로 한 수치해석법은 해석 시 모델의 크기와 형상에 영향을 거의 받지 않을 뿐만 아니라 결과 값을 바로 가시화시켜주기 때문에 최근에 많이 사용되고 있다.전산응용역학이란 위에서 설명한 수치해석법을 이용하여 역학문제를 해결하 는 학문이다.
실험장비의 해석
최근 많은 분야에 있어서 실험장비에 의한 해석에 비해 시간적으 로나 경제적으로 부담이 적은 이 분야가 많이 이용되고 있다. 이 분야의 장점은 이것뿐만 아니라 실험장비에 의해서 해석이 거의 불가능한 거대 구조물이나, 밀 폐된 공간 안쪽의 응력분포 등에 쉽게 이용될 수 있다는 것이다. 최근에는 그 분 야가 고무와 같은 비압축성(incompressible) 물체뿐만 아니라 인체 해석 등과 같 이 예전에는 해석이 어려웠던 분야로 빠르게 확정되고 있다.그림 3.18에서 볼 수 있듯이, 기존의 제품개발 공정이 개념정립에서 설계, 시 제품 제작, 그리고 성능평가를 한 후 최종적으로 제품화에 들어가는데 반해서, 전산역학을 이용하면 시제품을 제작할 필요 없이 바로 컴퓨터를 이용하여 성능 평가를 수행할 수 있다. 따라서 전산역학을 이용하면 제품개발에 필요한 시간을 상당부분 단축할 수 있어서 경제적으로, 시간적으로 많은 장점을 가진 분야이다.