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문제 정의
- 본 논문에서는 스프링을 이용하여 풀림현상을 방지하는 로크 너트의 구조 최적화를 연구하였다. 크랙의 발생은 유한요소해석 프로그램을 이용하여 만든 모델의 변형률 값과 1020 steel 변형률 응력 곡선의 극한변형률 값을 비교하여 판단하였다.
제안 방법
- 916이 된다. MSC/Marc를 이용하여 해석을 할 때 재료의 물성치로써 진응력-진변형률 값을 입력시켜준다. X축에는 진변형률을 입력시켜주며 Y축에는 진응력을 입력시켜준다.
- 본 논문에서는 로크 너트의 유한요소모델이 만들어 졌으며 상용 FEM 프로그램인 MSC/Marc 를 이용하여 너트의 구조를 분석하였다. 초기 모델의 변형률 응력 분포도와 1020 steel의 변형률 응력 분포도를 비교하였다.
- 본 연구에서는 크랙이 발생하지 않는 최적의 너트구조를 찾아내기 위해 실험계획법을 사용하였다. 실험계획법에는 다구찌 방법과 반응표면 분석법이 있다.
- 6 은 최적화를 위해 선정된 설계변수를 보여준다. 설계변수 선정은 공학적 토론(Engineering discussion)을 통해 이루어졌다. A 는 프레스 기계가 내려오는 높이를 나타내는 프레스 리밋, B 는 두께 각도, C 는 상단 필렛, 그리고 D 는 하단 필렛을 나타낸다.
- 245로 줄어들었다. 위의 해석 결과를 이용하여 시제품을 제작해 보았다. Fig.
- 반응표면분석법을 이용하여 로크 너트를 최적화 하였으며 최적화 이후 최적화 모델의 최대 변형률과 응력이 초기모델의 값보다 낮아졌음을 확인하였다. 이를 바탕으로 최적화된 제품의 시제품을 제작하여 크랙의 발생여부를 확인하였다.
- 본 논문에서는 로크 너트의 유한요소모델이 만들어 졌으며 상용 FEM 프로그램인 MSC/Marc 를 이용하여 너트의 구조를 분석하였다. 초기 모델의 변형률 응력 분포도와 1020 steel의 변형률 응력 분포도를 비교하였다. 반응표면분석법을 이용하여 로크 너트를 최적화 하였으며 최적화 이후 최적화 모델의 최대 변형률과 응력이 초기모델의 값보다 낮아졌음을 확인하였다.
- 245였으며 이는 초기 모델의 변형률 보다 58 %가 감소된 값이다. 최적화결과를 이용하여 시제품을 제작하였을 때 크랙이 발생하지 않음을 확인함으로써 최적화의 효용성을 입증하였으며 실제 너트제작에 적합한 너트의 구조를 찾아내었다. 따라서 본 논문에서 개발된 너트를 이용할 경우 큰 강도와 진동에서도 강인한 내구성을 가질 것으로 예상되므로 교량과 철도 등 여러 분야에 걸쳐 사용될 수 있을 것으로 기대된다.
- 본 논문에서는 스프링을 이용하여 풀림현상을 방지하는 로크 너트의 구조 최적화를 연구하였다. 크랙의 발생은 유한요소해석 프로그램을 이용하여 만든 모델의 변형률 값과 1020 steel 변형률 응력 곡선의 극한변형률 값을 비교하여 판단하였다. 크랙이 발생하지 않는 로크 너트의 구조를 찾기 위해 반응표면 분석법을 사용하여 최적화를 진행하였으며 최적화된 로크 너트의 구조를 MSC/Marc를 이용하여 분석하였다.
대상 데이터
- 해석에는 8절점의 육면체의 요소가 사용되었으며 9800개의 요소이다. Fig.
데이터처리
- 크랙의 발생은 유한요소해석 프로그램을 이용하여 만든 모델의 변형률 값과 1020 steel 변형률 응력 곡선의 극한변형률 값을 비교하여 판단하였다. 크랙이 발생하지 않는 로크 너트의 구조를 찾기 위해 반응표면 분석법을 사용하여 최적화를 진행하였으며 최적화된 로크 너트의 구조를 MSC/Marc를 이용하여 분석하였다. 최적화 모델의 최대 변형률 값은 0.
이론/모형
- 목적함수를 구성하는 독립변수가 N 개인 경우 구속조건의 존재 여부에 따라 다양한 최적화 알고리즘을 적용시킬 수 있다. 본 연구에서는 Sequential Quadratic Programming(SQP) method를 사용하였다. SQP는 목적함수로 2차 모델을, 구속조건으로 선형 모델을 사용한다.
- Nguyen(3)는 제품의 크랙을 방지하기 위해 다구찌 방법을 이용하여 최적화 과정을 진행하였으며 Jung(4)은 Gas Circuit Breaker 를 최적화하여 반응표면분석법의 효용성을 입증하였다. 본 연구에서는 반응표면 분석법을 이용하였다. 반응표면 분석법은 설계 변수와 반응 변수와의 관계를 2차의 회귀 모형 함수로 추정한 후, 최소화 알고리즘을 이용하여 모형함수를 최소화 시키는 설계 변수들의 값을 찾아낸다.
- 본 연구에서는 크랙이 발생하지 않는 최적의 너트구조를 찾아내기 위해 실험계획법을 사용하였다. 실험계획법에는 다구찌 방법과 반응표면 분석법이 있다. 설계 변수의 값이 불연속적으로 주어지는 경우에는 다구찌 방법을, 설계 변수 값을 연속적으로 취할 수 있는 경우에는 반응표면분석법이 많이 이용되고 있다.
성능/효과
- 위의 해석 결과를 이용하여 시제품을 제작해 보았다. Fig. 7과 Fig. 9를 비교해볼 때 시뮬레이션 결과와 시제품의 결과가 일치하는 것을 볼 수 있었으며 크랙이 발생하지 않은 것을 확인할 수 있었다. 이를 통해 볼 때 너트 구조의 최적화가 적합하게 되었다는 것을 확인할 수 있다.
- 초기 모델의 변형률 응력 분포도와 1020 steel의 변형률 응력 분포도를 비교하였다. 반응표면분석법을 이용하여 로크 너트를 최적화 하였으며 최적화 이후 최적화 모델의 최대 변형률과 응력이 초기모델의 값보다 낮아졌음을 확인하였다. 이를 바탕으로 최적화된 제품의 시제품을 제작하여 크랙의 발생여부를 확인하였다.
- 9를 비교해볼 때 시뮬레이션 결과와 시제품의 결과가 일치하는 것을 볼 수 있었으며 크랙이 발생하지 않은 것을 확인할 수 있었다. 이를 통해 볼 때 너트 구조의 최적화가 적합하게 되었다는 것을 확인할 수 있다.
후속연구
- 최적화결과를 이용하여 시제품을 제작하였을 때 크랙이 발생하지 않음을 확인함으로써 최적화의 효용성을 입증하였으며 실제 너트제작에 적합한 너트의 구조를 찾아내었다. 따라서 본 논문에서 개발된 너트를 이용할 경우 큰 강도와 진동에서도 강인한 내구성을 가질 것으로 예상되므로 교량과 철도 등 여러 분야에 걸쳐 사용될 수 있을 것으로 기대된다.
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