[논문]프레임 구조물에 대한 선형 내구 보강 기법의 적용

권성훈; 유홍희

doi:10.3795/ksme-a.2009.33.11.1341

프레임 구조물에 대한 선형 내구 보강 기법의 적용
Application of the Durability Reinforcement Technique on the Frame Structure 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.1341 - 1346

권성훈 (한양대학교 대학원 기계공학과) , 유홍희 (한양대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, the technique to reinforce the durability performance of structure using the sensitivity information for the frame structure is applied. The fatigue life calculation for the frame structure is performed from the quasi-static and transient analysis and the characteristics of two methods are compared for the fatigue analysis. Then the reinforcement technique is applied. First, some design variables related to the locations of fatigue failure is selected. Then sensitivities of fatigue life at fracture points with respect to the variation of design variables are calculated and the vector composed of gaps between the target life and initial life cycles is calculated. If the number of fatigue fracture points is same as the number of design variables, the variations of the design variables are calculated from the linear algebraic equation. If not, the variations of the design variables are calculated from the optimization formulation with the constraints.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 구조물의 내구 성능을 보강하기 위한 기법을 제안하고 트럭의 프레임에 대한 예제를 통해 이를 구현하였다. 구조물의 피로 파손 지점 각각에 대한 선형 근사 모델을 구성하여 근사내구 보강 기법에 사용하였다.
본 연구에서는 구조물의 피로 해석을 통해 예측된 피로 파손지점이 여러 개일 때 설계변수의 변화에 따른 각 지점의 피로 수명에 대한 근사모델을 구성하여 이를 사용하여 피로 파손지점의 보강하는 기법을 제안하고자 한다.

제안 방법

해석을 수행하였다. 그 결과로 도출한 하중 정보를 유한 요소 모델에 적용한 뒤 준정적 해석을 수행하여 구조물에 가해지는 동응력을 계산한다. 이러한 동응력에 대하여 피로해석을 수행해 구조물의 피로 파손 지점을 파악하고 그 지점에 관련된 값들을 설계 변수로 선정한 뒤 파손 지점에 대한 민감도 값을 사용하여 구조 보강 기법의 정식화를 통해 구조 보강이 이루어지게 된다.
Table 5 와 같다. 민감도를 계산하기 이 전에 설계변수들에 대한 피로 파손 지점의 피로 수명 변화를 살펴보기 위해 Fig. 5에서 가장 비선형성 이 심한 hi 에 대한 피로 수명의 변화를 살펴보았다. 이러한 함수를 선형화하면 그 오차가 너무 크게 발생하므로, 피로 수명 값을 상용로그화하여 근사화를 진행한다.
본 연구에서 구조물 보강을 위해 사용되는 설계변수는 초기 해석 단계에서 피로 파손이 발생한 지점에 관련된 기하학적 변수이다. Fig.
를 설계 변수로 선택한다. 설계 변수를 각각 10%씩 증가시켜 전진차분법을 통해 민감도를 계산하여 방정식을 구성하였다.
이 경우 설계 변수를 Table.5에 있는 6 개로 선정하였으며 구조물의 피로 수명이 목표 수명보다 크도록 하는 구속조건을 가지고 구조물의 질량을 최소화하는 최적화 문제를 정의하였다.
그 결과로 도출한 하중 정보를 유한 요소 모델에 적용한 뒤 준정적 해석을 수행하여 구조물에 가해지는 동응력을 계산한다. 이러한 동응력에 대하여 피로해석을 수행해 구조물의 피로 파손 지점을 파악하고 그 지점에 관련된 값들을 설계 변수로 선정한 뒤 파손 지점에 대한 민감도 값을 사용하여 구조 보강 기법의 정식화를 통해 구조 보강이 이루어지게 된다.
구조물의 피로 파손 지점 각각에 대한 선형 근사 모델을 구성하여 근사내구 보강 기법에 사용하였다. 이후 이를 사용하여 설계변수의 개수에 따라 구조물의 내구 보강을 위한 새로운 설계 변수를 구하는 과정에 대한 정식화를 수행하였고 예제에 이를 적용하였다.
제안한 구조 보강 기법을 적용하기 위해 구조물의 유한 요소 모델을 구성한 후 이에 가해지는 구속력을 구하기 위해 참고문헌 (6)에 제시되어 있는 차량의 9 자유도 다물체 동역학 모델에 대한과도 해석을 수행하였다. 그 결과로 도출한 하중 정보를 유한 요소 모델에 적용한 뒤 준정적 해석을 수행하여 구조물에 가해지는 동응력을 계산한다.

이론/모형

통해 이를 구현하였다. 구조물의 피로 파손 지점 각각에 대한 선형 근사 모델을 구성하여 근사내구 보강 기법에 사용하였다. 이후 이를 사용하여 설계변수의 개수에 따라 구조물의 내구 보강을 위한 새로운 설계 변수를 구하는 과정에 대한 정식화를 수행하였고 예제에 이를 적용하였다.
동응력은 준정적 해석 과정을 통해 구하며 이 때 유한 요소 구조물은 구속이 없는 상태이므로Inertia Relief 경계 조건을 사용한다. Table 1 eSAE950X 에 대한 물성 치 로 이 재 료는 상대 적 으로높은 항복 강도를 가지고 있어 자동차 구조재에 폭넓게 사용된다고 한다.
정식화할 수 없다. 따라서 본 연구에서는 민감도 계산을 위해 유한 차분법을 사용하였다.
6 은 로그화된 함수의 그래프를 보여주며, 그 형태가 원래 함수에 비해 비선형성이 거의 사라진 것을 알 수 있다. 민감도는 전진 차분법을 통해 계산하였다. Table 6은 유한차분법의 증분 크기에 따른 선형스케일과 상용로그로 표현된 피로수명에 대한 민감도 값의 변화를 나타내고 있다.
주행으로 인한 노면 가진은 아래 식과 같eLong Wave Pitch Road 모델을 사용하였다.

성능/효과

204353 이다. 새로운 설계 변수를 적용하여 다시 구조물의 피로해석을 수행하면 파손 지점의 피로 수명은 22(104)번 요소의95(12)번 절점에서 2.0095E06, 21(103)번 요소의 95(12)번 절점에서 2.0098E06 이 되어 구조물의 내구 보강이 이루어졌음을 확인할 수 있다.
204443 이며 다른 설계변수는 초기값을 그대로 유지하였다. 이 때 목적함수는 초기값 6.589kg 에서 0.111kg 증가하였으며 새로운 설계 변수를 사용하여 피로 해석을 수행하면 파손 지점의 피로 수명이 22(104)번 요소의 95(12) 번 절점에서 2.0251E06, 21(103)번 요소의 95(12)번 절점에서 2.0253E06 이 되어 구조물의 내구 보강이 이루어졌음을 확인할 수 있다.

후속연구

현재 예제는 보로 구성된 간단한 선형 구조물이므로 보다 복잡한 기하학적 형상과 용접 접합과 같은 다양한 요소에 적용하기 위한 추가적인 연구가 필요할 것으로 생각된다.

참고문헌 (9)

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상세보기
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ANSYS User's Guide, Ver.11.0, ANSYS Inc., 2007

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