[논문]내구 기준을 고려한 아우터 타이 로드의 형상 설계

김종규; 권영민; 박영철; 이권희

문제 정의

강으로 제작된 제품은 665g의 중량을 가지고 있다. 그러나 경량화를 위하여, 강을 새로 개발한 알루미늄으로 대치하고자 한다. 동시에 정적강도와 내구 기준을 만족시키는 경량화된 OTR을 제시하고자 한다.
그러나 경량화를 위하여, 강을 새로 개발한 알루미늄으로 대치하고자 한다. 동시에 정적강도와 내구 기준을 만족시키는 경량화된 OTR을 제시하고자 한다.
준정적 내구해석은 내구해석 시 널리 사용되는 방법으로 정적 구조 해석 후 하중 이력을 적용하여 피로 수명을 예측하는 방법이다. 본 연구에서는 OTR의 내구 성능을 평가하기 위해 준정적 내구해석을 수행하였다.
7MPa로 항복강도보다 아주 낮은 값을 가지는 것으로 나타났다. 본 연구에서는 이 기준을 통하여 제품의 경량화를 위한 형상 최적화를 수행하였다.
본 연구에서는 자동차 조향계 부품인 OTR에 대해 관성력 하중과 내구 기준을 적용하여 형상 최적 설계를 수행하여 보다 경량화된 모델을 선택할 수 있었고, 다음과 같은 결론은 얻었다.
추정치를 표시한 것이다. 즉 본 연구에서는 이반웅치에 대한 크리깅 메타모델을 구성하여 최적해를 산출하였다.

제안 방법

OTR의 내구 지수를 1.0에 근접하게 하기 위해 시행 착오법을 사용하여 형상최적화를 다시 수행하였다. 시행착오법은 설계자의 경험과 직관에 따라 설계를 하는 방법이다.
각각의 실험점 및 해석 결과를 Table 4에 나타내었다. 각 행에 대하여 유한요소해석을 수행한 것이며, 중량과 최대응력을 반응치로 하여 메타모델을 생성하였다. 이때 각 실험점의 유한요소해석은 자동적으로 수행이 될 수 있도록 하였다.
여기서 구해진 최적형상에 대해 다른 성능을 검토하고 각 성능에 대한 기준을 만족하면 최적해를 찾은 것으로 간주한다. 그 후에 시행 착오법을 적용하여 정적강도를 만족하는 모델을 사용하여 내구 기준에 대해서 검토한다. 정적강도는MSC.
내구 성능을 평가하기 위해 3장에서 도출한 최적화 결과 모델을 초기 모델로 선택하고 A 업체의 내구 성능 기준에 따라서 해석 및 결과를 평가하였다. Table 7에 4개의 정적해석용 하중, 하중이력 그리고 평가 기준 사이클 (cycle)을 나타내었다.
시행착오법은 설계자의 경험과 직관에 따라 설계를 하는 방법이다. 내구해석을 위한 초기모델을 관성력 하중에 의한 최적화 모델로 하고, 변수를 증가시켜 내구 기준에 따른 최적화 모델을 선택한다. 시행착오법을 이용한 내구해석 모델과 해석 결과를 Table 8에 나타내었고, SWT 지수를 기준으로 최적화된 모델의 MSC.
이는 기존의 상용프로그램에 들어있는 구조최적설계 모듈의 적용 시, 유한요소가 왜곡되어 최적화 진행이 어렵게 되는 단점을 해결하기 위한 것이다. 메타모델의 간편한 적용을 위하여, OTR 설계 시 검토되는 관성력 하중에 의한 정적강도 기준을 검토한다. 이 성능을 제한조건으로 설정하고 중량을 최소화시키는 최적화를 수행한다.
관성제거해석은 강체 운동을 하고 있는 구조를 해석할 때 쓰이는 방법으로써, 외력이 결정되어 있으나 강체운동을 구속할 변위 경계 조건이 주어지지 않은 경우이다. 유한요소 모델 생성 시 3 자유도를 가지는 사면체 요소를 사용하였으며 요소의 크기는 수렴해석을 통하여 결정하였다. 그리고 Table 1에 본 연구에서 강을 대체하고자 하는 A16082 M의 재질을 나타내었다.
메타모델의 간편한 적용을 위하여, OTR 설계 시 검토되는 관성력 하중에 의한 정적강도 기준을 검토한다. 이 성능을 제한조건으로 설정하고 중량을 최소화시키는 최적화를 수행한다. 여기서 구해진 최적형상에 대해 다른 성능을 검토하고 각 성능에 대한 기준을 만족하면 최적해를 찾은 것으로 간주한다.
그 결과에 따른 본 미제스 응력을 Table 3에 나타내었다. 총 4가지의 관성력 하중을 적용하여 최악의 조건을 고려하여 형상 최적화를 수행한다. 이 중 최대응력은 4th 하중 조건에서 나타나며 그 값은 69.

대상 데이터

유한요소 모델 생성 시 3 자유도를 가지는 사면체 요소를 사용하였으며 요소의 크기는 수렴해석을 통하여 결정하였다. 그리고 Table 1에 본 연구에서 강을 대체하고자 하는 A16082 M의 재질을 나타내었다.
조향휠 (steering wheel) 에서 조향기어 (steering gear), 피트먼 암 (pitman arm), 릴레이 로드 (relay rod), 인너타이로드 (inner tie rod)를 거친 조향력을 최종적으로 너클을 통해 타이어로 전달하는 역할을 한다. 본 연구에 적용한 OTRe A 업체에서 생산되는 승용차에 장착되는 부품이다.

이론/모형

1의 모델에 적용하여 선택하였다. 그리고 해석을 위한 경계조건은 관성제거기법 (inertial relief method)를 적용하였다. 관성제거해석은 강체 운동을 하고 있는 구조를 해석할 때 쓰이는 방법으로써, 외력이 결정되어 있으나 강체운동을 구속할 변위 경계 조건이 주어지지 않은 경우이다.
본 연구에서 적용한 최적화 기법은 크리깅을 이용한 메타모델 방법과 시행착오법이다. 이는 기존의 상용프로그램에 들어있는 구조최적설계 모듈의 적용 시, 유한요소가 왜곡되어 최적화 진행이 어렵게 되는 단점을 해결하기 위한 것이다.
본 연구에서는 식(2)의 최적화 문제를 EXCEL -kriging 프로그램을 사용하여 해결하였다. 표본점생성 방법은 최대엔트로피방법을 이용하였고, 형상의 단순함을 고려하여 표본점 수는 10으로 하였다.
여기서 Oi (i=l, 2, …, n) > 0이다. 본 연구에서는 크리깅 방법을 OTR 설계에 쉽게 적용할 수 있도록 개발된 EXCEL-kriging 프로그램을 사용하였다.
그 후에 시행 착오법을 적용하여 정적강도를 만족하는 모델을 사용하여 내구 기준에 대해서 검토한다. 정적강도는MSC.Nastran을, 내구 기준은 MSCFatigue를 이용하여 검토하였다.
Fatigue에서 지원하는 방법 중 Neuber Rule을 선택하였다. 평균웅력효과를고려하기 위해 SWT (Smith-Watson-Topper)방법을적용하였다. 선형 해석 시 하중 및 경계조건은 앞절에서 언급한 정강도 해석 절차와 동일하다.
표본점생성 방법은 최대엔트로피방법을 이용하였고, 형상의 단순함을 고려하여 표본점 수는 10으로 하였다. 각각의 실험점 및 해석 결과를 Table 4에 나타내었다.
피로수명 예측하기 위해 변형률-수명법을 사용하였다. 다음 방법은 소성영역의 영향을 고려한 내구해석을 수행하기 위함이다.

성능/효과

1. 차량 부품인 OTR에 관성력 하중을 고려한 형상 최적 설계를 통해 118.9g의 중량을 가지는 제품을 설계할 수 있었다. 가장 큰 하중을 받았을 때의 발생 응력은 336MPa로 안전한 것으로 나타났다.
2. 관성력 하중을 고려한 최적화 모델에 준정적 내구 해석을 수행하였고, 이를 시행착오법과 내구성 지수를 이용하여 목표 수명에 만족하는 최적화 모델을 찾을 수 있었다. 이 모델의 중량은 171.
3. 최적화 기법을 적용하여 기존의 강을 사용한 제품의 665g보다 74.2%의 중량이 감소된 171.6g의 제품을 설계할 수 있었다. 이 모델은 앞서의 2가지 기준 조건을 모두 만족하고 있다.
9g의 중량을 가지는 제품을 설계할 수 있었다. 가장 큰 하중을 받았을 때의 발생 응력은 336MPa로 안전한 것으로 나타났다. 기존의 강을 적용한 제품의 중량은 665g로 82%의 중량을 감소시킬 수 있었다.
2%를 감소시킬 수 있었다. 관성력 하중에 의한 해석 결과 발생응력은 124MPa로 두 가지 조건을 모두 만족하는 것으로 나타났다.
시행착오법을 이용한 최적화 결과 관성력 하중을 고려한 최적화 모델에서 치수가 35% 증가하였다. 그리고 관성력 하중을 적용한 정적해석 결과는 최악 조건에서 124MPa의 응력이 발생하여 항복강도를 만족하는 것으로 나타났다.
최대웅력과 중량에 대한 추정치와 결과치의 오차는 극히 작은 것으로 나타났다. 따라서 EXCEL-Kriging 프로그램을 이용해 구성한 크리깅 모델은 비교적 정확하다고 평가할 수 있다. 최종 산출된 최적해에서의 최악 하중 조건에 대한 OTR의 관성력 하중 해석 결과를 Fig.
5에 나타내었다. 시행착오법을 이용한 최적화 결과 관성력 하중을 고려한 최적화 모델에서 치수가 35% 증가하였다. 그리고 관성력 하중을 적용한 정적해석 결과는 최악 조건에서 124MPa의 응력이 발생하여 항복강도를 만족하는 것으로 나타났다.
관성력 하중을 고려한 최적화 모델에 준정적 내구 해석을 수행하였고, 이를 시행착오법과 내구성 지수를 이용하여 목표 수명에 만족하는 최적화 모델을 찾을 수 있었다. 이 모델의 중량은 171.6g으로 기존의 강을 적용한 제품의 중량보다 74.2%를 감소시킬 수 있었다. 관성력 하중에 의한 해석 결과 발생응력은 124MPa로 두 가지 조건을 모두 만족하는 것으로 나타났다.
총 4가지의 관성력 하중을 적용하여 최악의 조건을 고려하여 형상 최적화를 수행한다. 이 중 최대응력은 4th 하중 조건에서 나타나며 그 값은 69.7MPa로 항복강도보다 아주 낮은 값을 가지는 것으로 나타났다. 본 연구에서는 이 기준을 통하여 제품의 경량화를 위한 형상 최적화를 수행하였다.
결과를 Table 5에 나타내었다. 최대웅력과 중량에 대한 추정치와 결과치의 오차는 극히 작은 것으로 나타났다. 따라서 EXCEL-Kriging 프로그램을 이용해 구성한 크리깅 모델은 비교적 정확하다고 평가할 수 있다.

후속연구

이 모델은 앞서의 2가지 기준 조건을 모두 만족하고 있다. 하지만 본연구에서는 관성력 하중과 내구 기준 만을 고려한 것으로 차후 고려해야할 좌굴 기준에 대해서도 검토가 필요할 것으로 판단된다.

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

내구 기준을 고려한 아우터 타이 로드의 형상 설계
Shape Design of an Outer Tie Rod, Considering Durability Criteria

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

후속연구

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

관련 콘텐츠

연관된 기능

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

내구 기준을 고려한 아우터 타이 로드의 형상 설계 Shape Design of an Outer Tie Rod, Considering Durability Criteria

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

후속연구

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

김종규 (7) 박영철 (84) 이권희 (60)

관련 콘텐츠

연관된 기능

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

내구 기준을 고려한 아우터 타이 로드의 형상 설계
Shape Design of an Outer Tie Rod, Considering Durability Criteria

AI 본문요약
AI-Helper