최근 환경문제로 인한 차량의 연료절감이 중요해지면서 수송산업에서도 대형 수송기계의 경량설계에 대한 필요성이 지속적으로 커지고 있다. 본 연구에서는, 고강도강으로 대체된 대형 평판 트레일러 프레임의 경량모델을 개발하기 위하여 구조해석을 수행하였다. 이를 위하여, 트레일러 프레임의 주요 설계변수들을 선정하고 다구찌 기법을 적용하여 응력, 처짐량 그리고 비틀림 강성에 대하여 최적화된 결과를 도출하였다. 또한, 도출된 경량설계안의 타당성을 검토하기 위하여 시작품을 제작하여 실제 내구시험을 수행하였다.
최근 환경문제로 인한 차량의 연료절감이 중요해지면서 수송산업에서도 대형 수송기계의 경량설계에 대한 필요성이 지속적으로 커지고 있다. 본 연구에서는, 고강도강으로 대체된 대형 평판 트레일러 프레임의 경량모델을 개발하기 위하여 구조해석을 수행하였다. 이를 위하여, 트레일러 프레임의 주요 설계변수들을 선정하고 다구찌 기법을 적용하여 응력, 처짐량 그리고 비틀림 강성에 대하여 최적화된 결과를 도출하였다. 또한, 도출된 경량설계안의 타당성을 검토하기 위하여 시작품을 제작하여 실제 내구시험을 수행하였다.
For achieving economical fuel consumption, an increase in the load bearing capacity, and for environmental conservation, there is a constant demand for lightweight frames of commercial vehicles used in the transportation industry. In this study, a structural analysis of the frame of a heavy flat-bed...
For achieving economical fuel consumption, an increase in the load bearing capacity, and for environmental conservation, there is a constant demand for lightweight frames of commercial vehicles used in the transportation industry. In this study, a structural analysis of the frame of a heavy flat-bed trailer was performed to determine the optimal design of a new lightweight frame made of high-strength steel. To identify the key design parameters of the trailer frame, Taguchi's orthogonal array was used in the experiments. Using ANSYS, a commercial FEA program, the frame structure was optimized with respect to stress, deflection, and torsional stiffness by performing stress and vibration analyses. A physical model of the trailer was also built to verify the validity of the numerical analyses. Finally, an on-road fatigue test of the new lightweight frame made of the high-strength steel, ATOS80, was performed to confirm the durability of the new design.
For achieving economical fuel consumption, an increase in the load bearing capacity, and for environmental conservation, there is a constant demand for lightweight frames of commercial vehicles used in the transportation industry. In this study, a structural analysis of the frame of a heavy flat-bed trailer was performed to determine the optimal design of a new lightweight frame made of high-strength steel. To identify the key design parameters of the trailer frame, Taguchi's orthogonal array was used in the experiments. Using ANSYS, a commercial FEA program, the frame structure was optimized with respect to stress, deflection, and torsional stiffness by performing stress and vibration analyses. A physical model of the trailer was also built to verify the validity of the numerical analyses. Finally, an on-road fatigue test of the new lightweight frame made of the high-strength steel, ATOS80, was performed to confirm the durability of the new design.
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문제 정의
본 연구에서는, 대표적인 국내 철강업체에서 생산되는 ATOS80(항복강도 700MPa 이상)으로 제작된 기존 대형 평판트레일러(flat-bed trailer, FBT)의 하부 프레임을 경량화시키기 위해서 실험계획법과 유한요소해석을 수행하였다. 유한요소해석은 상용 소프트웨어인ANSYS 를 이용하였으며, 해석의 신뢰성을 높이기 위하여 셸요소(shell element)로 프레임을 모델링하여 실험적으로 검증하였다.
본 연구에서는 화물 육상수송의 상당량을 차지하고 있는 대형 평판트레일러의 경량화를 통한 연비절감, 운송비 절감 및 환경오염 저감을 목표로 트레일러 프레임의 경량화를 시도하였다. 이를 위해다구찌 직교배열표에 의해 실험계획을 세운 후 유한요소해석을 통하여 프레임의 중량뿐만 아니라 경량화에 따른 응력 및 비틀림강성까지 고려하여 경량화를 위한 최적설계안을 선정하였다.
제안 방법
본 연구에서는, 대표적인 국내 철강업체에서 생산되는 ATOS80(항복강도 700MPa 이상)으로 제작된 기존 대형 평판트레일러(flat-bed trailer, FBT)의 하부 프레임을 경량화시키기 위해서 실험계획법과 유한요소해석을 수행하였다. 유한요소해석은 상용 소프트웨어인ANSYS 를 이용하였으며, 해석의 신뢰성을 높이기 위하여 셸요소(shell element)로 프레임을 모델링하여 실험적으로 검증하였다. 설계변수 변경에 따른 반복적인 해석을 효율적으로 수행하기 위해서, ANSYS APDL(ANSYS Parametric Design Language)을 이용하여 대형 평판트레일러의 하부 프레임 구조물의 자동 유한요소모델링 프로그램을 구축하여 활용하였다.
3 은 주요 형상변수들에 대한 최적설계를 위해 ANSYS APDL(ANSYS Parametric Design Language)을 이용하여 평판트레일러 하부프레임의 형상변수들간의 기하학적 관계를 구하여 작성한 자동 유한요소모델링 프로그램으로부터 생성한 3 차원 유한요소모델이다. 과도한 유한요소의 사용을 방지하고 유한요소모델링의 오차를 최소화시키기 위해서 ANSYS 의 mapped mesh 기능을 사용하였다. 이를 위해 솔리드 모델링 단계에서 부품끼리 결합되거나 교차하는 위치에서는 모두 사각형 모양으로 면을 분할하였다.
4 는 정적응력해석에 사용될 구속조건과 하중 조건을 나타내고 있다. 구속조건은 트랙터와 트레일러의 연결을 위한 하부 프레임과 전방 킹핀의 체결 부위, 그리고 하부 프레임과 후방 바퀴들이 연결되는 부위들을 적절하게 구속하였다. 하중조건은 현행 도로법규인 40 톤 총 중량제에 의해 실제 적재할 수 있는 수하물 중 하부 프레임에 가장 큰 부하를 줄 수 있는 30 톤 코일 한 개를 적재하는 경우의 집중 하중을 대상으로 하였다.
다구찌 기법은 기술개발, 제품설계, 공정설계 및 관리 등을 최적화하기 위하여 사용되는 통계적 실험계획법으로서, 제품설계에 적용하면 사용환경을 고려하여 우수한 성능을 가지도록 설계변수를 최적화시킬 수 있다. 실험계획법과 다구찌기법을 적용하기 위하여 우선 설계인자의 수준 및 직교배열표를 작성하였다. Fig.
본 연구에서는 평가특성을 하부 프레임의 전체 중량, 하부 프레임에 발생하는 최대응력 및 비틀림 고유진동수의 3 가지로 설정하였다. 3 개의 평가 특성 중 중량 및 최대응력은 값이 작을수록 우수한 설계이므로 망소특성(smaller-the better type)에 해당되며, 비틀림 고유진동수는 클수록 좋은 망대특성(larger the better type)에 해당된다.
본 연구에서는 화물 육상수송의 상당량을 차지하고 있는 대형 평판트레일러의 경량화를 통한 연비절감, 운송비 절감 및 환경오염 저감을 목표로 트레일러 프레임의 경량화를 시도하였다. 이를 위해다구찌 직교배열표에 의해 실험계획을 세운 후 유한요소해석을 통하여 프레임의 중량뿐만 아니라 경량화에 따른 응력 및 비틀림강성까지 고려하여 경량화를 위한 최적설계안을 선정하였다. 경량화 된 최종모델은 중량감소에 비해 강성 및 강도저하가 무시할 수준이었으며, 실제 제작된 프레임의 주행실험 및 내구실험에서도 별다른 문제가 발생하지 않았다.
본 장에서는 전술한 해석조건에 대하여 다구찌기법을 이용하여 트레일러 하부 프레임의 경량화를 위한 형상 최적설계 문제를 정의한 후 이를 해석하고자 한다. 다구찌 기법은 기술개발, 제품설계, 공정설계 및 관리 등을 최적화하기 위하여 사용되는 통계적 실험계획법으로서, 제품설계에 적용하면 사용환경을 고려하여 우수한 성능을 가지도록 설계변수를 최적화시킬 수 있다.
대상 데이터
프레임의 유한요소모델링 시 형상변수 변화에 따라 차이는 있지만 대략 8 만개 이상의 4 절점 SHELL63 요소가 해석에 사용되었다.
본 연구의 경량화 대상모델은 Fig. 2 와 같은 국내 평판트레일러 제작업체인 H 사 평판트레일러의 하부프레임이다. 유한요소해석을 위하여 뒷바퀴 축, 상부 목재판 등과 같이 프레임의 전체적인 역학적 거동에 미치는 영향이 적은 부착물들은 제외하고 사다리형 하부 프레임 구조물만 고려하였다.
유한요소해석을 위하여 뒷바퀴 축, 상부 목재판 등과 같이 프레임의 전체적인 역학적 거동에 미치는 영향이 적은 부착물들은 제외하고 사다리형 하부 프레임 구조물만 고려하였다. 하부프레임은 항복강도가 700MPa 인 고강도강을 사용하여 제작되었다.
구속조건은 트랙터와 트레일러의 연결을 위한 하부 프레임과 전방 킹핀의 체결 부위, 그리고 하부 프레임과 후방 바퀴들이 연결되는 부위들을 적절하게 구속하였다. 하중조건은 현행 도로법규인 40 톤 총 중량제에 의해 실제 적재할 수 있는 수하물 중 하부 프레임에 가장 큰 부하를 줄 수 있는 30 톤 코일 한 개를 적재하는 경우의 집중 하중을 대상으로 하였다. Fig.
하지만, 본 연구에서는 다소 많은 설계인자를 고려하였기 때문에 일반적이지는 않지만 L54 (21 ×325 ) 의 다구찌 직교배열표(orthogonal array)를(8) 선정하고, 직교배열표에 배치된 총 54 회의 해석을 수행하였다.
이론/모형
유한요소해석은 상용 소프트웨어인ANSYS 를 이용하였으며, 해석의 신뢰성을 높이기 위하여 셸요소(shell element)로 프레임을 모델링하여 실험적으로 검증하였다. 설계변수 변경에 따른 반복적인 해석을 효율적으로 수행하기 위해서, ANSYS APDL(ANSYS Parametric Design Language)을 이용하여 대형 평판트레일러의 하부 프레임 구조물의 자동 유한요소모델링 프로그램을 구축하여 활용하였다. 유한요소해석을 통해 개발된 경량화된 고강도강 모델은 중량은 17% 경량화 시키면서도 강도 저하는 거의 발생하지 않았다.
성능/효과
설계변수 변경에 따른 반복적인 해석을 효율적으로 수행하기 위해서, ANSYS APDL(ANSYS Parametric Design Language)을 이용하여 대형 평판트레일러의 하부 프레임 구조물의 자동 유한요소모델링 프로그램을 구축하여 활용하였다. 유한요소해석을 통해 개발된 경량화된 고강도강 모델은 중량은 17% 경량화 시키면서도 강도 저하는 거의 발생하지 않았다.
5 는 상기의 하중 및 구속조건을 이용하여 해석한 정적 응력해석 및 자유진 동해석 결과를 보여주고 있다. 해석결과 30 톤 코일에 의한 집중하중이 작용하는 경우 프레임의 후방 바퀴 지지부 근처에서 286.8 MPa 의 최대 von-Mises 응력이 발생하였다. 그런데 이는 Fig.
3 개의 평가 특성 중 중량 및 최대응력은 값이 작을수록 우수한 설계이므로 망소특성(smaller-the better type)에 해당되며, 비틀림 고유진동수는 클수록 좋은 망대특성(larger the better type)에 해당된다.
1kg 으로 약 442kg (약 17%)의 경량화가 달성되었다. 반면 최대응력은 Fig. 11 과 같이 294.6MPa 로 2.7% 증가하는데 그쳤으며, 비틀림 고유진동수는 2.428Hz 로 9% 가량 감소하여 경량화 대비 만족할만한 결과를 얻을 수 있었다.
12 와 같이 피로시험을 실제 수행하였다. 100 톤의 액츄에이터를 이용하여 2 Hz 로 가진을 한 피로시험 결과 도출된 최종 모델이 요구된 100 만 사이클 이상의 내구강도를 가지는 것을 확인할 수 있었다.
후속연구
경량화 된 최종모델은 중량감소에 비해 강성 및 강도저하가 무시할 수준이었으며, 실제 제작된 프레임의 주행실험 및 내구실험에서도 별다른 문제가 발생하지 않았다. 향후 평판트레일러 이외의 로우베드(low bed), 구즈넥(gooseneck) 트레일러 등에도 본 연구와 같이 구조최적화를 통한 경량화가 이루어진다면 운송산업의 경쟁력 배가에 많은 도움이 될 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
트레일러의 대형 프레임은 어떤 구조로 구성되어 있는가?
트레일러의 대형 프레임은 여러 개의 측면부재(side member)와 크로스부재(cross member)들이 용접에 의해 복잡하게 연결된 사다리꼴 구조이다. 각 부재는 단면모양이 일반적으로 ‘ㄷ’형 또는 ‘H’형 채널(channel)인 열연강판을 사용하므로, 결합부위 등에서 응력집중에 의한 파손이 발생할 수 있다.
다구찌 기법은 무엇인가?
본 장에서는 전술한 해석조건에 대하여 다구찌기법을 이용하여 트레일러 하부 프레임의 경량화를 위한 형상 최적설계 문제를 정의한 후 이를 해석하고자 한다. 다구찌 기법은 기술개발, 제품설계, 공정설계 및 관리 등을 최적화하기 위하여 사용되는 통계적 실험계획법으로서, 제품설계에 적용하면 사용환경을 고려하여 우수한 성능을 가지도록 설계변수를 최적화시킬 수 있다. 실험계획법과 다구찌기법을 적용하기 위하여 우선 설계인자의 수준 및 직교배열표를 작성하였다.
트레일러의 대형 프레임의 각 부재는 어떤 특징을 가지고 있는가?
트레일러의 대형 프레임은 여러 개의 측면부재(side member)와 크로스부재(cross member)들이 용접에 의해 복잡하게 연결된 사다리꼴 구조이다. 각 부재는 단면모양이 일반적으로 ‘ㄷ’형 또는 ‘H’형 채널(channel)인 열연강판을 사용하므로, 결합부위 등에서 응력집중에 의한 파손이 발생할 수 있다. 그러므로, 프레임 설계 시 수치해석을 통한 프레임의 정확하고 상세한 응력해석이 매우 중요하다.
참고문헌 (8)
http://www.ssabtunnplat.com/
Kim, J. G., Park, S. S., Kim,1 Y. Y., Choi, S. H. and Kim, B. K., 1996, “Finite Element Modeling and Experimental Verification of the Structures with Bolted Joints,” Trans. of the KSME (A), Vol. 20, No. 6, pp. 1845-1861.
Ju, Y. S., Kim, Y. W., Kim, B. W., Moon, J. O. and Lee, K. S., 2003, “Structural Analysis of a Large Size Automobile Frame,” Fall Conference of KSAE, pp. 1417-1422.
Ju, Y. S., Kim, Y. W., Kim, B. W., Moon, J. O. and Lee, K. S., 2003, “Structural Analysis of a Large Size Automobile Frame,” Fall Conference of KSAE, pp. 1417-1422.
Moon, I. D. and Oh, C. Y., 2005, “Development of a Finite Element Model for Evaluating Torsional Stiffness of the Frame of a Large Truck,” Trans. of the KSME (A), Vol. 29, No. 4, pp. 563-569.
Beermann, H. J., 1989, The Analysis of CommercialVehicle Structures, English-languaged Edition,Mechanical Engineering Publication Limited, London.
Lee, T. H., Lee, K. K. and Koo, J. Y., 2000, “Optimization of Chassis Frame by Using D-Optimal Response Surface Model,” Trans. of the KSME (A), Vol. 24, No. 4, pp. 894-899.
Phadke, M. S., 1989, Quality Engineering UsingRobust Design, Prentice-Hall, New Jersey.
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