Structural Design Optimization of a Launch Vehicle Propellant Tank using Kriging

본 연구에서는 우주발사체에 탑재되는 연료 탱크와 산화제 탱크의 중량최소설계를 위해, 정규 크리깅(ordinary Kriging)을 이용한 대리 기반 최적화를 제안한다. 최적설계 문제정의를 위해 목적함수로 탱크 중량을, 등구속조건으로 부피를, 부등구속조건으로는 최대허용응력을 고려하였다. 부등구속조건은 크리깅 모형을 통해 신속하게 평가되었으며, 최적해 탐색은 순차적 2차 계획법을 통해 수행하였다. 제안된 방식은 구형연료 탱크와 접시형 경판(torispherical head)을 가지는 실린더형 산화제 탱크를 통해 검증되었다. 그 결과, 크리깅 모형이 예측한 최대 본 미세스 응력의 유한요소해석 대비 절대상대오차가 최적설계점에서 0.1% 미만으로 정확하였고, 계산효율 면에서는 1회 해석 시 0.006 s 소요되어 연료 탱크의 경우 15.8 s, 산화제 탱크의 경우 52.0 s 소요되는 유한요소해석보다 각각 2633.33배, 8,666.67배 단축하였다. 최적설계 결과로, 연료 탱크와 산화제 탱크는 기존 용량 대비 중량을 각각 39.02%, 8.61% 감소시켜 구조 경량화를 달성하였다.