[논문]이동식 크레인 붐의 최적설계

유광선; 박정완; 히다카 신이치; 한석영

문제 정의

이 그림으로부터 수평 방향인 경우의 인양능력이 최소가 됨을 알 수 있다. 따라서 본 논문에서는 수평방향 이동식 크레인에 최대응력이 작용하는 수평 방향으로 6개의 붐이 최대로 인출되어 있는 상태의 경우에 대하여 해석을 수행하였다
또한 붐이 운동을 하는 각도 역시 0°〜90° 까지 다양한 값을 가질 수 있다. 여기서 우리는 크레인의 붐이 최대의 하중을 받게 되는 작업 환경을 고려하여 설계를 수행하므로 붐이 최대한 길게 빠져 나왔을 때에 대하여 해석하였다. 또한 작업각도는 Table 3과 Fig.
왔다. 하지만 본 연구에서는 가장 최적화된 위상이라고 할 수 있는 수 있는 트러스 구조를 기본으로 하여 붐의 경량화를 시도하였고, 예시된 크레인의 강도를 그대로 유지하면서 붐의 중량을 감소함으로써 크레인의 운용능력을 증대시키고 적재 중량을 증가시키는 것을 목적으로 연구를 수행하였다.

가설 설정

내부 부재들이 차지하는 무게는 붐 무게의 약 4%이고, 패드의 경우에는 동일한 크기로 모델링을 해주었으며, 기타 연결에 필요한 부재들은 해석에 영향을 전혀 주지 않는 부위에 위치하기 때문에 해석에서 제외하였다. 크레인에서 변형이 일어나는 부분은 붐에 한정된다고 가정하였고 크레인 차체와 별도로 붐만을 따로 떼어내어 모델링하여 해석을 진행하였다. 크레인의 제원은 Table 1과 같다.

제안 방법

기존 크레인 붐에 대한 최적화 연구는 구조해석과 실험을 이용한 암 크레인의 경량화 연구S 및 굴삭기 붐의 형상 최적 설계#쉬등이 있다. 김관쥐"는 NASTRAN을 사용하여 유압식 크레인 붐의 구조 해석과 육각형 단면에 대한 단면 최적화를 수행하고 실제 실험을 통해 이를 검증하였다. 오성근G)은 기존 크레인의 응력 계산을 통해 크레인 붐의 응력 상태 및 안전율을 산출해 재질과 설계변경을 시도하였고, 임오강® 은 민감도 근사해석기법을 이용하여 굴삭기 붐의 최적 형상을 설계하였다.
2(a)와 같다. 기본적으로 파트디자인(part design)을 통해 각 붐의 형상을 모델링하고 다시 어셈블리 디자인(assembly design)을 통해 전체 6개의 붐을 모델링하였다. 모델링한 붐을 정적 구조해석(static structure analysis)을 수행하였고, 해석 시 허용응력은 안전계수 L7을 적용하고, 좌굴계수는 6개의 붐에서 가장 큰 세 장비(slenderness ratio)의 경우를 적용하여 1.
최대응력은 409MPa로 허용응력(419MPa) 이내로 나타났다. 따라서, 각 붐마다 트러스의 크기를 최적화함으로써 최소의 무게를 갖는 붐의 최적 설계를 수행하였다.
사용하였다. 모델링과 최적설계는 CATIAV5를 사용하였으며, 트러스 구조를 기본으로 하여 높이와 트러스 부재의 폭을 설계변수로 선정하여 최적설계를 수행하였다.
기본적으로 파트디자인(part design)을 통해 각 붐의 형상을 모델링하고 다시 어셈블리 디자인(assembly design)을 통해 전체 6개의 붐을 모델링하였다. 모델링한 붐을 정적 구조해석(static structure analysis)을 수행하였고, 해석 시 허용응력은 안전계수 L7을 적용하고, 좌굴계수는 6개의 붐에서 가장 큰 세 장비(slenderness ratio)의 경우를 적용하여 1.1 의 계수를 적용하였다. 이를 토대로 계산한 허용응력은 419MPa이며, Fig.
즉, 정적 유한요소 해석결과 응력이 작게 발생하는 부분에 구멍을 뚫는 방법, 부재의 단면을 변경하는 방법, 가벼운 재료로 바꾸는 방법 등이 그것이다. 본 연구에서는 응력 해석결과 응력분포에 여유가 있어 보이는 좌우측 부재에 트러스 구조를 적용하여, 현재 크레인의 설계 강도를 유지하면서 붐의 무게를 최소화하는 방법으로 경량화를 시도하였다.
붐의 앞(운전석, boom 2)에서부터 확장, 붐 전체가 동시에 확장, 그리고 끝(하중이 가해지는 부분, boom 6)에서부터 확장되는 3가지 방법에 대하여 먼저 비교하고, 또한 각도에 따른 응력 분포도 고려하여 해석을 진행하였다.
이동식 크레인 붐의 경량화를 위하여 최대 응력이 걸리는 하중 상태에 대해 육각형 붐의 단면을 트러스 구조로 변환한 최적 설계를 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
아래 Fig. 5와 같이 h는 200mm, 좌우 각도가 45。인 삼각형 모양의 트러스 모양을 만들어 예비 해석을 수행하였다. 붐 간의 겹침 부분은 응력집중에 의한 파손을 고려하여 트러스 구조로의 변화를 주지 않았고, 트러스 구조 구간은 겹침이 일어나지 않는 부분으로 한정하였다.
2를 사용하였다. 최대의 하중조건이 걸리게 하기 위하여 풍하중은 가장 많은 하중이 걸리는 방향과 동일한 방향으로 적용하였다.
트러스 구조에서의 붐의 응력 분포를 알아보기 위해 크기가 작은 임의의 트러스 모양을 만들어 응력을 해석해 보았다. 아래 Fig.

대상 데이터

ATOS80의 물성치는 인장강도 784MPa, 밀도 7850 kg/m3, 포아송비(Poisson's ratio) 0.28을 적용하였다.
본 논문에서 사용된 크레인은 25톤 대형 직진식 크레인을 기준으로 하였으며, 붐의 형상은 육각형 모델을 사용하였다. 모델링과 최적설계는 CATIAV5를 사용하였으며, 트러스 구조를 기본으로 하여 높이와 트러스 부재의 폭을 설계변수로 선정하여 최적설계를 수행하였다.
붐 구조물의 재료는 고장력 고강도강인 ATOS80을 사용하였다. ATOS80의 물성치는 인장강도 784MPa, 밀도 7850 kg/m3, 포아송비(Poisson's ratio) 0.

이론/모형

그리고 _{제한조건의}Hb_{는 붐의 높이를 나타내고, 는 최대웅} 력# 는 허용응력을 나타낸다 이 러한 최적화 문제를 풀기 위해 CATIAV5의 생산공학 최적화(product engineering optimizer) 기능을 이용하였으며, 알고리즘은 SA(simulated annealing)법을 사용하였다.

성능/효과

(1) 이등변 삼각형 형태의 트러스 구조를 이용하여 얻어진 최적의 트러스 구조에서 발생한 최대 응력은 417MPa 로 현재 육각형 단면의 허용응력 인 419MPa보다 작은 결과를 나타냄으로써, 일반적인 붐의 형상의 허용응력보다 트러스 구조의 형상이 좀 더 안전한 형상임을 증명하였다.
(2) 이등변 삼각형 형태의 트러스 구조로 최적화한 결과 육각형 단면의 붐 중량이 19.88% 경량화 된 결과를 얻었다. 이러한 경량화 효과로 인해 크레인의 작동이나 연비향상에 큰 영향을 줄 것으로 판단된다.
(3) 수평상태에서는 높이가 낮기 때문에 면적에 비해 풍하중의 영향이 크지 않지만, 단면을 트러스 구조로 변경하게 되면, 수평이 아닌 상태에서 풍하중의 영향을 크게 줄일 수 있을 것으로 예상된다.
이를 토대로 다시 최적화된 구조해석을 수행한 결과 발생하는 최대응력은 412MPa로 허용응력 이내로 얻어졌다. Fig. 7과 Table 5는 최적화 전과 후의 응력결과를 비교한 것으로, 전체적인 트러스 구조로 경량화된 모델은 최적화 전 23kN에 비해 4.6kN이 경량화된 18.4kN의 질량을 갖게 되어 19.88% 경량화 된 결과를 보여주었다.
계산된 결과로부터 최적화된 트러스의 높이는 측면 붐의 높이에 비례하여 증가하였음을 알 수 있었다. 이를 토대로 다시 최적화된 구조해석을 수행한 결과 발생하는 최대응력은 412MPa로 허용응력 이내로 얻어졌다.
결과로부터 최적화된 트러스의 높이는 측면 붐의 높이에 비례하여 증가하였음을 알 수 있었다. 이를 토대로 다시 최적화된 구조해석을 수행한 결과 발생하는 최대응력은 412MPa로 허용응력 이내로 얻어졌다. Fig.
1 절의 직각 이등변 삼각형 보다 일반화된 이등변 삼각형을 사용하였다. 제한조건으로는 트러스의 높이는 측면 붐의 높이 보다 작으며, 해석결과 응력이 허용응력인 419MPa 보다 작게 설정하였다. 해석결과는 Table 4에 나타낸 바와 같다.

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