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문제 정의
- 긴밀한 밀폐를 유지하기 위해서는 조인트에서의 적절한 압력 유지가 필요하다. 이 예에서는 주요설계변수를 바탕으로 전체적인 설계목표치를 유지하기 위한 강건/신뢰 설계의 방안을 제시하였다. 해석모델은 아래 Fig.
제안 방법
- 혼란요소의 영향을 고려한 시스템 모델의 강건 설계를 얻기 위하여 실험설계법(design of experiment)을 사용하여 수치 모사를 수행한다. 수치모사 결과를 이용하여 시스템의 성능을 좌우하는 설계 변수들의 영향도를 결정한다. 결정된 시스템의 성능에 영향을 주는 주요 설계요소를 조절하여 시스템의 성능을 강건하게 하는 최적화를 수행한다.
- 수치모사 결과를 이용하여 시스템의 성능을 좌우하는 설계 변수들의 영향도를 결정한다. 결정된 시스템의 성능에 영향을 주는 주요 설계요소를 조절하여 시스템의 성능을 강건하게 하는 최적화를 수행한다.
- 접촉부에서는 접촉모델링 (contact modeling)을 적용하였고 대칭조건을 사용하여 V-엔진의 한쪽 뱅크만 사용하였다. 실린더 블록의 하부면을 강체 운동을 억제하기 위하여 고정하였으며 대칭면에는 대칭조건을 사용하였다.
- 엔진의 온도분포를 계산하기 위하여 엔진 열해석(Engine thermal analysis)이 먼저 시행되었다.5,6) 온도 분포는 엔진작동에 의한 열 하중을 계산하기 위한 입력값으로 사용되었다.
- 린더헤드와 블록은 개스킷으로 접촉되어 있고 설계의 목적은 접촉부에서의 선하중(line load)이 설계목표치(design target) 이상을 유지하도록 하는 것이다. 주요 설계변수와 혼란요소를 P-diagram으로부터 설정하고 강건/설계의 설계 개념을 이용하여 어떤 설계변수가 시스템에 가장 큰 영향을 미치는지 평가한다. 혼란요소를 포함함으로서 시스템의 강건성을 향상시킨 설계가 가능하다.
- 혼란요소를 포함함으로서 시스템의 강건성을 향상시킨 설계가 가능하다. 실린더헤드모델의 설계변수와 혼란요소중에서 선하중에 잠재적으로 가장 큰 영향을 미칠 수 있는 요소들을 Pdiagram에서 선택하였다. 10개의 설계변수, 4개의 혼란요소와 수준(level)은 Table 1과 같이 설정하였다.
- 8에 나타내었다. 그리고 Bore, HPOF, Water Jacket에서 가장 낮은 선하중(line load)을 측정 하였다. 기준 모델(baseline model), 18 case의 시뮬레이션 결과를 비교하면 어셈블리, hot-firing의 경우에 서도 목표치보다 낮은 선하중을 보인 경우가 있었으나, 특히 cold-firing의 경우에는 모든 case에서 목표치보다도 아주 낮은 하중 분포를 보여주었다.
- 강건 설계의 첫째 단계인 수축(shrink) 단계를 실린더헤드 개스킷의 밀폐 압력유지에 적용하였다. 주요설계변수의 편차를 줄여 개스킷 주변 압력 분포의 성능 요구치를 만족시킨다.
- 혼란요소의 변동을 감안한 설계 방식은 혼란요소의 변동에 따른 시스템 반응 민감도를 감소시키는 방향으로의 설계를 가능케 하여 전체적인 설계를 강건하게 할 수 있다. 강건 설계의 개념을 설명하기 위하여 실린더헤드 개스킷의 밀폐압력유지 설계를 예로 사용하였다. 먼저 실린더헤드의 밀폐를 유지하기 위하여 가장 큰 영향을 주는 3종류의 제어요소와 혼란요소를 결정하였고 수축과 이동 단계를 적용하여 혼란요소에 대한 민감도를 줄이는 강건한 설계방안을 제시 하였다.
- 강건 설계의 개념을 설명하기 위하여 실린더헤드 개스킷의 밀폐압력유지 설계를 예로 사용하였다. 먼저 실린더헤드의 밀폐를 유지하기 위하여 가장 큰 영향을 주는 3종류의 제어요소와 혼란요소를 결정하였고 수축과 이동 단계를 적용하여 혼란요소에 대한 민감도를 줄이는 강건한 설계방안을 제시 하였다.
대상 데이터
- 해석적 신뢰-강건 설계에서는 먼저 P-diagram을 작성하여 제어 가능한 설계 변수와 제어 불가능한 혼란요소를 설정한다. 시스템 혼란요소에 대한 대응 모델(surrogate model)을 설정하고 설계 변수와 혼란 요소의 데이터를 수집한다. 혼란요소의 영향을 고려한 시스템 모델의 강건 설계를 얻기 위하여 실험설계법(design of experiment)을 사용하여 수치 모사를 수행한다.
- 6, 7과 같이 실린더헤드, 헤드볼트, 헤드개스킷, 실린더블록으로 구성되어 있다. 유한요소모델의 크기는 대략 230,000개의 솔리드요소와 300,000개의 절점으로 구성되어 있다. 실린더 헤드, 볼트는 육면체요소(hexahedral element)를 사용하여 모델링하였고 헤드개스킷은 ABAQUS에서 제공하는 솔리드요소인 GK3D8를 사용하였다.
- 유한요소모델의 크기는 대략 230,000개의 솔리드요소와 300,000개의 절점으로 구성되어 있다. 실린더 헤드, 볼트는 육면체요소(hexahedral element)를 사용하여 모델링하였고 헤드개스킷은 ABAQUS에서 제공하는 솔리드요소인 GK3D8를 사용하였다. 접촉부에서는 접촉모델링 (contact modeling)을 적용하였고 대칭조건을 사용하여 V-엔진의 한쪽 뱅크만 사용하였다.
데이터처리
- CAE와 신뢰-강건성 개념을 체계적으로 결합하여 제품의 신뢰성 향상을 이루고자 하는 설계기법이 해석적 신뢰-강건 설계이다. 통상, 설계를 위한 CAE 해석은 평균 또는 극한의 경우를 설정하여 도출한 일회적인 해석결과를 분석하는 절차를 수행하였다. 그러나 이러한 결정론적 방법을 이용한 설계 해석 결과는 다양한 사용 환경을 해석 모델에 모두 적용할 수 없었고 그 결과로 강건한 시스템 설계를 구현하는데 애로가 있었다.
이론/모형
- 유한요소 해석은 4단계의 하중을 적용하였고 상용 유한요소 코드인 ABAQUS 2)를 사용하였다.
- 시스템 혼란요소에 대한 대응 모델(surrogate model)을 설정하고 설계 변수와 혼란 요소의 데이터를 수집한다. 혼란요소의 영향을 고려한 시스템 모델의 강건 설계를 얻기 위하여 실험설계법(design of experiment)을 사용하여 수치 모사를 수행한다. 수치모사 결과를 이용하여 시스템의 성능을 좌우하는 설계 변수들의 영향도를 결정한다.
- CDOE 메트릭스와 결과를 Auto-slam(Auto-Successive Linear Approximation)의 입력값으로 사용하여 시스템의 반응에 대한 설계변수의 영향을 구하고 이를 주 영향곡선(main effect plot)을 이용하여 나타내었다.
성능/효과
- 그리고 Bore, HPOF, Water Jacket에서 가장 낮은 선하중(line load)을 측정 하였다. 기준 모델(baseline model), 18 case의 시뮬레이션 결과를 비교하면 어셈블리, hot-firing의 경우에 서도 목표치보다 낮은 선하중을 보인 경우가 있었으나, 특히 cold-firing의 경우에는 모든 case에서 목표치보다도 아주 낮은 하중 분포를 보여주었다.
- 4) 이러한 수축 방안은 주로 시스템 성능과 관계된 설계변수를 사용함으로써 성능 변동을 감소시킨다. 개스킷의 예에서는 Fig. 10과 같이 실린더라이너의 재료를 cast iron에서 알루미늄으로 대체하여 열팽창에 대한 편차를 줄임으로서 편평도(flatness), 볼트하중과 같은 혼란요소에 대한 시스템의 민감도를 감소할 수 있었다.
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