[논문]내구기준을 고려한 컨트롤 암의 구조최적설계

김종규; 박영철; 김영준; 이권희

doi:10.3795/ksme-a.2009.33.11.1225

[국내논문] 내구기준을 고려한 컨트롤 암의 구조최적설계
Structural Optimization of a Control Arm with Consideration of Durability Criteria 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.33 no.11=no.290, 2009년, pp.1225 - 1232

김종규 (동아대학교 대학원 기계공학과) , 박영철 (동아대학교 기계공학과) , 김영준 ((주) 센트랄 중앙 연구소) , 이권희 (동아대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This study suggests a structural design process for the upper control arm installed at a vehicle. Static strength and durability are the most important responses in the structural design of a control arm. This study considers the static strength in the optimization process. The inertia relief method for FE analysis is utilized to simulate the static loading conditions. According to the classification of structural optimization, the structural design of a control arm is included in the category of shape optimization. In this study, the metamodel technique using the kriging method is adopted to obtain the minimum weight satisfying the strength constraint. Then, the final design is suggested by considering the durability criteria. The durability assessment is obtained by the index of fatigue durability called the SWT (Smith-Watson-Topper) index. The final optimum shape has been proposed by trial and error method.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

제작되고 있다. 본 연구에서는 기존 연구 (2), (3)에서 개발된 알루미늄 재질로 생산되는 단조 제품에 대한 최적형상을 제시하고자 한다. 이와 같은 컨트롤 암의 구조설계에 최적화 기술을 적용한 사례로는 다음과 같은 연구가 있었다.
또한 Kim⑹ 등과 Ahn(7) 등은 컨트롤 암의 공정변수에 대한 최적해를 제시하였다. 본 연구에서는 관성력 하중 및 내구 기준을 고려하여 최적의 컨트롤 암 형상을 제시하고자한다.
관성력 하중은 내구하중을 등가시킨 성격의 하중이다. 따라서 이들 관계를 검토하고 내구하중을 직접 고려하여 최적형상을 찾고자 한다.
본 연구에서는 관성력 하중에 의한 강도 기준과 스미스-왓슨-토퍼 지수 (Smith-Watson-Topper Index)에 의한 기준을 비교, 검토하였다. 또한 이 내구 지수를 기준으로 한 최적 형상을 산출하였다.
본 연구에서는 A 업체에서 사용되고 있는 관성력 하중을 고려하였고, 이 중 가장 응력이 크게 발생하는 과속방지턱 등의 장애물을 통과할 때의 하중만을 고려하여 최적화를 수행 하였다. 개발 초기의 컨트롤암 유한요소 모델을 Fig.
4의 형상설계변수를 정의하기도 어렵고 최적화과정 중에 요소가 파괴될 가능성이 높다. 이를 방지하기 위하여 본 연구에서는 메타모델을 이용한 형상최적 설계를 수행하였다. 컨트롤 암의 형상최적설계를 위한 정식화는 다음과 같이 표시할 수 있다.
본 연구에서는 이 반응치에 대한 크리깅 메타모델을 구성하여 최적해를 산출하였다.

가설 설정

는 요소의 개수이고 b.는 허용응력으로 본 연구에서는 항복강도로 설정하였다. 그리고 圮=[7.

제안 방법

본 연구에서는 먼저 관성력 하중에 의한 응력계산을 위한 네가지의 조건 중 최악하중을 선정하여 이를 고려한 최적해를 산출하고 나머지 하중 조건에 대해서도 검토를 한다. 네가지 조건은 차량의 정상상태, 코너링, 제동, 그리고 과속방지턱 등의 장애물을 통과할 때의 하중이다.
관성력 하중 작용 시 컨트롤 암의 중량을 효율적으로 감소시키기 위하여 위상최적설계 및 메타모델을 이용한 형상최적설계를 순차적으로 적용하였다. (11) 위상최적화를 위한 정식화는 다음과 같이 표시할 수 있다.
3의 A 부분을 형상설계 변수로 설정하고, B 부분을 제거하는 것이 경량화에 유리함을 알 수 있다. 형상설계변수는 컨트롤암의 중량을 효율적으로 줄이기 위해 두께 방향의 변수를 형상변수로 설정하였다. 그런데 Fig.
4와 같이 컨트롤 암은 왼쪽 및 오른쪽의 두께가 다르므로 두 개의 스케치 면을 이용하여 두께를 생성하였다. 형상 설계변수는 t1, t2, t3, t4, t5, t6으로 총 6개가 설정이 되었으며 이들은 독립적으로 변할 수 있고, CAD 모델이 바뀌면 유한요소 모델이 자동적으로 바뀌도록 프로그래밍 하였다
각 표본점에 대하여 유한요소해석을 수행한 후, 중량과 최대응력에 대한 크리깅메타모델을 구성하고 식 (3)을 최적화 알고리듬으로 해결한다. 마지막으로 SWT 지수를 고려하고 시행 착오법에 의한 최적화를 수행한다.
개발된 프로그램。3)과 최근에 상용소프트웨어(11)에 내장되어 있는 반응표면법과 크리깅법을 이용해서 해결하였다. 이때 표본점 생성 방법은 최대엔트로피 방법을 이용하였고 표본점 수는 50으로 하였다.
각각의 실험점을 Table 2에 표시하였다. 각행에 대하여 유한요소해석을 수행한 것이며 중량과 최대응력을 반응치로 하여 메타모델을 생성하였다. 이때 각 실험점의 유한요소해석은 자동적으로 수행이 된다.
준정적 내구해석은 내구해석 시 널리 사용되는 방법으로 등가 하중을 사용하여 정적 구조 해석을 한 후 일정 진폭의 하중 이력을 적용하여 피로수명을 예측하는 방법이다.⑸ 본 연구에서는 컨트롤 암의 내구 성능을 평가하기 위해 업체에서 보유하고 있는 등가 하중 및 하중 이력을 이용하였다.
내구성 지수이다. 본 컨트롤 암의 평가는 A 업체가 보유한 등가하중 및 이에 대한 기준을 적용하였다. 다음은 SWT 지수를 구하기 위한 식이다.
관성력하중을 고려하여 산출된 최적화 모델을 기초로 내구성능을 평가하였다. A 업체에서 내구성능의 기준으로 사용하는 3가지 하중조건을 통해 평가 하였다.
내구성능을 평가하였다. A 업체에서 내구성능의 기준으로 사용하는 3가지 하중조건을 통해 평가 하였다. 각 하중조건 별 4개의 준 정적해석용 하중의 조합과 하중이력 및 평가 기준 사이클을 Table 5에 표시하였다.
본 연구에서는 관성력하중을 고려한 최적화 모델을 기초로, 시행착오법에 의한 모델을 구성하여 SWT 지수를 1.0에 근접하도록 하였다. 즉, 경량화를 위하여, 컨트롤암의 가공성능을 고려하여 일부 형상을 제거하였다.
0에 근접하도록 하였다. 즉, 경량화를 위하여, 컨트롤암의 가공성능을 고려하여 일부 형상을 제거하였다. 관성력하중은 실제 자동차가 받을 수 있는 하중보다 과도한 하중이 입력된다.
보다 적극적인 경량화 설계를 위해서는 내구기준을 적용하여 경량화를 수행하는 것이 바람직하다. 내구해석을 위한 초기모델을 정강도 최적화 모델로 하고, 변수를 감소시켜 내구해석 최적화 모델을 선택한다. Table 6은 시행 착오법을 이용한 내구해석 모델과 해석 결과를 나타내었고, Fig.

대상 데이터

2에 표시하였다. 이때 재질은 기존 연구 (2), (3)에서 개발된 Al6061M6 이며 재질 특성을 Table 1에 표시하였다. 초기모델의 중량은 1946.

이론/모형

셋째로 최적설계 적용 시, 가공성 등의 제작에 관련된 기술적인 성능을 고려하기가 어렵다. 본 연구에서는 두 번째 지적한 문제점을 해결하기 위해 메타모델을 이용한 최적화 기법을 적용하였다.
유한요소해석 시 구속조건이 필요 없는 관성 제거기법(10)을 이용하였다. 형상설계변수는 CAD 모델에서 정의하며 크리깅 메타모델을 구성하기 위한 표본점에서 최대응력 및 중량의 반응치를 계산한다.
그 다음, 식 (3)을 풀기 위해 표본점을 생성한다. 본 연구에서는 최대엔트로피법11)을 적용하였다. 각 표본점에 대하여 유한요소해석을 수행한 후, 중량과 최대응력에 대한 크리깅메타모델을 구성하고 식 (3)을 최적화 알고리듬으로 해결한다.
이때 표본점 생성 방법은 최대엔트로피 방법을 이용하였고 표본점 수는 50으로 하였다. 각각의 실험점을 Table 2에 표시하였다.
피로수명 예측하기 위해 변형률-수명법을 사용하였다. 다음 방법은 소성영역의 영향을 고려한 내구해석을 수행하기 위함이다.
따라서 선형 탄성 구간의 구조해석의 결과로부터 소성영역을 고려한 결과로 보정하기위해 MSC. Fatigue에서 지원하는 방법 중 Neuber Rule을 선택하였다. 평균응력효과를 고려하기 위해 SWT(Smith-Watson-Topper)방법을 적용하였다.
Fatigue에서 지원하는 방법 중 Neuber Rule을 선택하였다. 평균응력효과를 고려하기 위해 SWT(Smith-Watson-Topper)방법을 적용하였다. 선형 해석 시 하중 및 경계조건은 앞 절에서 언급한 정강도 해석 절차와 동일하다.

성능/효과

세 가지 결과 중 본 연구에서 제시한 방법이 가장 우수한 해 임을 알 수 있다. 반면에 상용소프트웨어에 의한 결과가 불리하게 나타나는 현상은 추정된 최적해 근방에서 랜덤하게 3개의 후보최적점을 추천하기 때문에 발생하는 것으로 추측된다.
반면에 상용소프트웨어에 의한 결과가 불리하게 나타나는 현상은 추정된 최적해 근방에서 랜덤하게 3개의 후보최적점을 추천하기 때문에 발생하는 것으로 추측된다. 즉, 본 연구에서 제시한 최적해에서는 최 대응력이 허용응력과 거의 동일하게 산출되는 활성화 제한조건이다. 반면에 상용소프트웨어의 반응표면이나 크리깅 방법에서 산출된 최적해에 서의 최대 응력은 허용응력과 차이를 보이고 있다.
최적해에서 유한요소해석을 수행한 결과를 예측된 최대응력과 비교해보면 0.02%의 오차를 보이고 있다. 또한 비선형성이 크지 않은 컨트롤 암의 중량의 추정치는 실제 중량값과 거의 오차가 없었다.
또한 비선형성이 크지 않은 컨트롤 암의 중량의 추정치는 실제 중량값과 거의 오차가 없었다. 따라서 엑셀기반 크리깅 프로그램을 이용해 구성한 크리깅 모델은 비교적 정확하다고 평가 할 수 있다. 최종 산출된 최적해에서의 최악 하중조건에 대한 컨트롤 암의 정강도 해석결과를 Fig.
(1) 본 연구에서는 단조품의 컨트롤 암 형상 최적 설계를 위한 일련의 절차를 제시하였으며 관성력 하중만을 고려한 최적해에 비교하여 약 13.3% 의 중량감소를 이룰 수 있었다.
(2) 관성력 하중을 고려해 최적화 한 모델을 준 정적 내구해석을 수행하였고, 이를 시행착오 법과 내구성 지수를 이용하여 내구 성능을 만족하는 최적화 모델을 찾을 수 있었다.

후속연구

(3) 본 연구는 시뮬레이션만을 고려하여 최적해를 산출한 것으로써, 보다 실질적인 최적해의 산출을 위해서는 피로시험을 통한 검증이 요구된다.

참고문헌 (13)

Lee, K. H. and Kang, D. H., 2007, 'Structural Optimization of an Automotive Door Using the Kriging Interpolation Method,' Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part D: Journal of Automobile Engineering, Vol. 221, No. 12, pp. 1524-1534

상세보기
Song, B. C., Park, Y. C., Kang, S. W. and Lee, K. H., 2009, 'Structural Optimization Of An Upper Control Arm, Considering the Strength,' Proceedings IMechE Part D : Journal of Automobile Engineering Vol. 223, pp. 727-735

상세보기
Song, B. S., Park, H. S., Kwon, Y. M., Kim, S. H., Park, Y. C. and Lee, K. H., 2009, ' Structural Design of an Upper Control Arm, Considering Static Strength,' Transaction of KSAE, Vol. 17, No. 1, pp.190-196
Lee, D. C. and Lee, J. I., 2003, 'Structural Optimization Concept for the Design of an Aluminium Control Arm,' Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part D: Journal of Automobile Engineering, Vol. 217, No. 8, pp.647-656

상세보기
Kim, M. S., Lee, C. W., Son, S. H., Lim, H. J. and Heo, S. J., 2003, 'Shape Optimization for Improving Fatigue Life of a Lower Control Arm Using the Experimental Design,' Transactions of KSAE, Vol. 11, No. 3, pp. 161-166
Kim, Y.S., Son, H. S., Park, J. Y., Choi, S. G. and Yang, S. H., 2006, 'Finite Element Analysis to Design and Optimized Forming Conditions for Lower Control Arm,' Metallurgical and Materials Transactions A, Vol. 37A, pp. 2539-2547

상세보기
Ahn, P. S., Baeck, S. M., Lee, H. D., Kim, D. U. and Kim, W. J., 2006, 'Development of Aluminum Automotive Control Arm Using Squeeze Casting Process,' Proc. JSAE Annual Congress, Vol. 18-06, pp. 9-12
Sacks, J., Welch, W. J., Mitchell, T. J. and Wynn, H. P., 1989, 'Design and Analysis of Computer Experiments,' Statistical Science, Vol. 4, No. 4, pp. 409-435

상세보기
Guinta, A. and Watson., L., 1998, 'A Comparison of Approximation Modeling Techniques: Polynomial versus Interpolating Models,' Proceedings of the 7th AIAA/USAF/NASA/ISSMO Symposium on Multidisciplinary Analysis and Optimization, St. Louis, Mo, AIAA, Vol. 2, pp. 392-440
Bessert, N. and Frederich, O., 2005, 'Nonlinear Airship Aeroelasticity,' Journal of Fluids and Structures, Vol. 21, No. 8, pp. 731-742

상세보기
DNDE, 2006, ANSYS WORKBENCH-Simulation Introduction Release 10.0, Busan, Korea
MSC Software Corporation, 2004, MSC.NASTRAN 2004 Design Sensitivity and Optimization User's Guide, Santa Ana, California
VR & D, Inc., 2000, GENESIS Version 6.0 User's Manual, Colorado Springs, Colorado

저자의 다른 논문 :

활용도 분석정보

상세보기

다운로드

내보내기

활용도 Top5 논문

해당 논문의 주제분야에서 활용도가 높은 상위 5개 콘텐츠를 보여줍니다.
더보기 버튼을 클릭하시면 더 많은 관련자료를 살펴볼 수 있습니다.

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증