[논문]비틀림 변형 최소화를 위한 전자레인지 도어 프레임의 형상 최적설계

이부윤; 구진영

doi:10.3795/ksme-a.2006.30.8.1016

[국내논문] 비틀림 변형 최소화를 위한 전자레인지 도어 프레임의 형상 최적설계
Shape Optimal Design of the Door Frame of a Microwave Oven to Minimize Its Twisting Deformation 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.30 no.8 = no.251, 2006년, pp.1016 - 1023

이부윤 (계명대학교 기계자동차공학부) , 구진영 (한국엠에스씨소프트웨어(주))

Abstract ▼ AI-Helper

When one opens the door of a microwave oven during its operation, twisting deformation of the door occurs, which may cause leakage of microwave through the gap between the door and the front plate. A numerical optimization is implemented to minimize the gap by maximizing twisting stiffness of the door of the oven. Design variables are deformed, which describe the shape of the bead in the horizontal and vertical flanges of the door frame. To minimize the twisting deformation, Two optimal design problems to find shapes of the bead in the flange are established. The problems are solved by a numerical optimization technique, their results being evaluated.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구는 전자레인지(microwave oven) 가동 중에 도어 (door)를 열 때 도어와 본체의 간극을 통하여 발생할 수 있는 전자파 누설을 최소화하기 위한 구조 설계의 필요성으로부터 시작하였다. 여기에서 다루고자 하는 전자레인지는 Fig.
본 연구에서는 형상 최적설계 방법을 사용하여 도어 프레임의 비틀림 변형을 저감시키기 위한 구조 설계 개선 방안으로서, 보강 브래킷을 덧붙 이지 않은 기존 설계안의 도어 프레임을 대상으로 하여 비틀림 변형을 최소화하기 위한 도어 프 레임 테두리 비드의 최적 형상을 도출하고자 한다.
도어의 손잡이 상부를 잡고 당기는 과정에 대하여 도어 프레임의 선형 정적 해석(2)시에 발생하는 비틀림 변형, 즉 정적 비틀림 변형을 최소 화하기 위한 최적의 비드 형상을 결정하는 최적 설계 문제를 정의하고자 한다.
본 연구에서는 형상 최적설계 방법을 사용하여 도어 프레임의 비틀림 변형을 저감시키기 위한 구조 설계 개선 방안으로서, 비틀림 변형을 최소 화하기 위한 도어 프레임 테두리 비드의 형상 최 적설계 문제를 제시하였다. 도어 프레임 사각 테 두리를 따른 비드의 형상 치수를 설계변수로 설 정하고, 정적 비틀림 변형 최소화 문제를 수치적 최적화 기법을 사용하여 해석함으로써 도어 프레 임 비드의 최적 형상을 도출하였다.

제안 방법

따라서, 본 연구에서는 Lee and Koo(2)와 Lee et ai.w)가 선행 연구에서 제시한 비틀림 변형 저감 용 보강 브래킷을 사용하지 않고, 도어 프레임 테두리를 따라 형성되어 있는 Fig. 3에 표시된 가 로 방향과 세로 방향의 요철 모양의 비드 구조의 형상을 형상 최적설계 기법을 사용하여 결정하고 자 한다. Fig.
3 N의 힘(도어를 열 때의 측정값)(1)으로 당기는 경우를 고려하였다. 도어 힌지가 생략되었으므로 힌지 체결 위치에 해당하는 도어 프레임 상의 절점(위치 D와 E)에 대하여 핀에 관한 회전 자유도를 제외한 ux, uy, uz,e*, e, 의 자유도를 구속하였으며, 래치가 체결 되는 부위인 위치 b의 절점에 대하여 도어가 열 리는 방향의 자유도 를 구속하였다.
형상 최적화를 위한 형상 설계변수는 총 네 개 로서, Fig. 5와 같이 비드의 초크(choke)의 경계로 부터의 간격 a, 비드의 깊이 b, 수직방향 비드(vertical bead)의 폭 c, 수평 방향 비드(horizontal bead)의 폭 d로 정의하였다.
한편, 비드 형상을 정의하는 설계변수 값에 따라 도어 프레임의 중량이 결정된다. 최적화 전후 의 도어 프레임의 중량을 평가하기 위하여 쉘 요 소 전체의 면적에서 다공부의 원형 구멍을 제외한 면적을 계산하고 두께와 밀도를 곱하여 질량 을 계산하였다. 초기설계에서 도어 프레임의 질 량은 1.
본 연구에서는 형상 최적설계 방법을 사용하여 도어 프레임의 비틀림 변형을 저감시키기 위한 구조 설계 개선 방안으로서, 비틀림 변형을 최소 화하기 위한 도어 프레임 테두리 비드의 형상 최 적설계 문제를 제시하였다. 도어 프레임 사각 테 두리를 따른 비드의 형상 치수를 설계변수로 설 정하고, 정적 비틀림 변형 최소화 문제를 수치적 최적화 기법을 사용하여 해석함으로써 도어 프레 임 비드의 최적 형상을 도출하였다. 중량 제약조건을 고려하는 경우와 고려하지 않는 경우의 두 가지 문제를 해석하여 그 결과를 서로 비교한 결과 두 가지 최적해에서 중량의 차는 그다지 크지 않은 것으로 나타났다.

대상 데이터

도어 프레임 초기설계의 유한요소 모델은 Fig. 6과 같으며, 8 절점 2차 탄성 구조 쉘(quadraticelastic structural shell) 요소인 SHELL93 요소를 사용하였다. 요소의 수와 절점의 수는 각각 27, 672 개와 28, 437개이다.
요소의 수와 절점의 수는 각각 27, 672 개와 28, 437개이다. 쉘 요소의 두께는 도어 프레 임의 실제 두께인 0.7mm를 부여하였고, 탄성계수 와 포와송비는 강판의 물성치를 사용하였다. 도 어 프레임에서 중앙의 큰 사각형 면적을 차지하는 Fig.

데이터처리

형상 최적화 문제의 해석을 위하여 ANSYS를 사용하였다. 비드의 형상을 정의하는 치수를 매 개변수(parameter) 로 정의하고 전체 해석 과정을 APDL(ANSYS Parametric Design Language)을 사용하여 프로그래밍하고 최적화 해석을 수행하였다.
형상 최적화 문제의 해석을 위하여 ANSYS를 사용하였다. 비드의 형상을 정의하는 치수를 매 개변수(parameter) 로 정의하고 전체 해석 과정을 APDL(ANSYS Parametric Design Language)을 사용하여 프로그래밍하고 최적화 해석을 수행하였다.

성능/효과

이와 같이 최적설계에서의 비드가 테두리의 가장 자리에 위치함으로써 초기설계에 비하여 테두리 의 굽힘 강성이 증대되는 것으로 판단된다. 최적 설계에서 변형 형상과 도어가 열리는 방향의 변 위 "y의 분포를 Fig. 9 에 나타내 었으며 , 목적 함 수인 도어 프레임의 y축방향 최대 변위량 Dmx 는 0.609 mm로서, 초기설계에서의 0.646 mm에 비해 5.7 % 감소하였다. Fig.
최적화 전후 의 도어 프레임의 중량을 평가하기 위하여 쉘 요 소 전체의 면적에서 다공부의 원형 구멍을 제외한 면적을 계산하고 두께와 밀도를 곱하여 질량 을 계산하였다. 초기설계에서 도어 프레임의 질 량은 1.103 kg이며, 최적설계에서의 질량은 1.110 kg으로 초기설계에 비해 1.0 % 증가한 것으로 나타났다. 이는 비드의 최적설계가 초기설계에 비하여 비틀림 변형을 5.
이와 같이, 앞 장에서 기술한 바와 같이 중량 을 고려하지 않은 경우에는 비틀림 변형은 5.7 %감소하지만 중량은 1.0 % 증가하는 반면에, 중량 제약조건을 부여한 경우에는 비틀림 변형은 4.8 % 감소하며 중량도 1.7 % 감소하는 것으로 나타났다. 두 가지 최적해에서 이와 같은 2.
반면 에 비틀림 변형에 의한 전자파 누설량 관점에서 는 당연히 중량 제약조건을 고려하지 않는 것이 더 유리하다. 한편, 본 연구에서 도출된 최적해는 보강 브래킷을 덧붙이는 설계 개선안에서 얻을 수 있는 비틀림 변형의 저감 효과(브래킷의 종류 별로 7.8 ~ 37.6 %)'즈에 비하여 상대적으로 저감 효과는 작지만 중량 면에서는 크게 유리한 것으로 판단된다.
도어 프레임 사각 테 두리를 따른 비드의 형상 치수를 설계변수로 설 정하고, 정적 비틀림 변형 최소화 문제를 수치적 최적화 기법을 사용하여 해석함으로써 도어 프레 임 비드의 최적 형상을 도출하였다. 중량 제약조건을 고려하는 경우와 고려하지 않는 경우의 두 가지 문제를 해석하여 그 결과를 서로 비교한 결과 두 가지 최적해에서 중량의 차는 그다지 크지 않은 것으로 나타났다. 그러나 도어 프레임의 철 판 두께가 두꺼운 대형 전자레인지의 경우에는 경량화 설계 관점에서 중량 제약조건을 고려할 수도 있으며, 이러한 중량 제약조건의 부여 여부 는 설계 단계에서 경량화 .

참고문헌 (13)

Over The Range Microwave Oven Owner's Manual, 2002, Maytag
Lee, B. Y. and Koo, J. Y., 2005, 'Analysis of Twisting Deformation and Structural Design of the Door Frame of a Microwave Oven to Decrease Leakage of Microwave,' J. of Korean Soc. Precision Eng., Vol. 22, No. 12, pp. 141-148

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UL 923-34, Standard for Microwave Cooking Appliances, Users Laboratory
EN 60335-2-25, Standard for Household and Similar Electrical Appliances, European Standard
Lee, B. Y. and Koo, J. Y., 2005, 'Evaluation of Twisting Deformation of the Door Frame of a Microwave Oven by Transient Response Analysis,' Trans of the KSME (A), Vol. 29, No. 9, pp. 1282-1288

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Kim, C. S., Na, J. M., Kim, J. H. and Chung, H. S., 2001, 'Drop Analysis of Micro Wave Mchine with I-DEAS and LS-DYNA,' Technical Paper, Samsung Electronics
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PAM-SYSTEM, Reference Manual, 2002, PAM System International
Son, B. S., 2004, Research on the Finite Element Analysis of the Drop-Impact and Clamping of a Microwave Oven, M.S. Thesis, Keimyung University
Lee, B. Y., Koo, J. Y. and Kim, W. J., 2006, 'Structural Design of the Door Frame of a Microwave Oven to Decrease Its Twisting Deformation Using Dynamic Analysis,' J. of Korean Soc. Precision Eng., (submitted)

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ANSYS, User's Manual, Revision 6.2, 2002, ANSYS Inc
Arora, J. S., 1989, Introduction to Optimum Design, McGraw-Hill, New York

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