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문제 정의
- 본 연구에서는 시멘트 및 파우더 등의 분말류를 운송하는 특수차량인 벌크 시멘트 트레일러의 정동적특성을 유한요소해석을 통하여 분석하였다. 벌크 시멘트 트레일러의 프레임은 수하물에 의한 하중의 대부분을 지지하기 때문에 충분한 강도유지를 하면서도 경량화된 구조를 가지는 것이 중요하다.
- 본 연구에서는, 국내 D사에서 개발하고자 하는 벌크 시멘트 트레일러의 정동적 특성을 상용 유한요소해석 소프트웨어인 ANSYS를 이용하여 상세하게 분석하였다. 정적해석에서는 트레일러의 주행 시 발생하는 유동성 분말류의 무게중심 변화 등의 동적하중 효과(10)는 고려하지 않았다.
제안 방법
- 2와 같이 바퀴부를 제외한 나머지 차체부분에 대해서만 수행하였다. 곡률을 가지고 복잡한 구조의 하부 프레임과 탱크는 삼차원 셸 요소(shell element)인 SHELL63요소를 14만개 이상 사용하여 상세하게 모델링하였으며, 탱크 내부의 보강 프레임은 BEAM188 요소(3D finite strain beam element)들로 모델링하였다. 유한요소모델링을 통해 구한 바퀴부를 제외한 트레일러의 전체 무게는 약 2463kg 정도인 것으로 나타났다.
- 다음으로 벌크 탱크에 응력이 집중되는 부위는 수준을 낮추면서 전체적인 무게를 줄이기 위해 벌크 탱크 하단부의 부분별 적절한 두께를 다구찌 실험계획법을 적용하여 찾고자 한다. 실제 자동차에서는 경량화를 위해 두께, 강도 등이 다른 강판을 적절한 크기와 형상으로 절단한 후 레이저로 용접하여 원하는 형태의 부품으로 가공하는 테일러 블랭크(Tailor welded blank)방법이 적용되고 있다.
- 본 절에서는, Fig. 2의 벌크 시멘트 트레일러의 유한요소모델을 이용하여 정적 응력해석을 수행하였으며, 이를 통하여 구조의 취약부위를 찾아 강도를 개선하면서도 무게를 줄일 수 있는 방안을 제시하였다. 응력해석을 위해서 Fig.
- Table 3에 정리된 직교배열표를 이용한 해석결과들로부터, Table 4와 같이 모든 설계인자들의 수준별 평균 기여도를 정리하였다. 예상되는 4군데의 취약부위에서 측정한 응력값은 수준별 설계인자들의 평균 기여도 판별을 용이하게 하기 위해서 각 위치별로 적절한 가중치를 주어 응력값의 평균화된 기여도를 계산하였다. 예를 들면, 설계인자 A의 수준 1의 평가특성에 대한 평균화된 기여도는 최대응력이 발생하는 위치 P1에서의 응력값에는 나머지 위치에서의 값들보다 2배의 가중치를 주어 다음과 같이 계산하였다.
- 유한요소모델링은 상용 유한요소해석 소프트웨어인 ANSYS를 사용하여 Fig. 2와 같이 바퀴부를 제외한 나머지 차체부분에 대해서만 수행하였다. 곡률을 가지고 복잡한 구조의 하부 프레임과 탱크는 삼차원 셸 요소(shell element)인 SHELL63요소를 14만개 이상 사용하여 상세하게 모델링하였으며, 탱크 내부의 보강 프레임은 BEAM188 요소(3D finite strain beam element)들로 모델링하였다.
- 2의 벌크 시멘트 트레일러의 유한요소모델을 이용하여 정적 응력해석을 수행하였으며, 이를 통하여 구조의 취약부위를 찾아 강도를 개선하면서도 무게를 줄일 수 있는 방안을 제시하였다. 응력해석을 위해서 Fig. 8과 같이 앞쪽 킹핀 홀 구속지점과 뒤쪽 바퀴 연결부위의 변위성분들을 구속하였으며(ux = uy = uz = 0), 안전계수(S=2)를 고려하여 벌크 탱크 하부에 수직 방향 합력이 실제보다 큰 30톤의 분포 압력을 가하였다. 응력해석 결과 Fig.
- 저차모드들에서는 주로 국부적인 진동모드들이 발생하였으며, 벌크 탱크에서는 8차 진동모드 이후에서 주목할만한 진동모드들이 발생하였다. 정적인 응력해석을 통하여 트레일러의 취약부위를 찾은 후, 다구찌 기법을 적용하여 취약부위의 강도는 보강하면서 무게를 줄일 수 있는 설계방안을 제안하였다. 향후 연구에서는 유동성을 가지는 비압축성 분말의 거동과 연성된 구조의 동적특성에 대한 연구와 트레일러 전체 구조에 대한 경량설계 연구가 추가적으로 고려되어져야 할 것이다.
- 정적해석에서는 트레일러의 주행 시 발생하는 유동성 분말류의 무게중심 변화 등의 동적하중 효과(10)는 고려하지 않았다. 최종적으로, 다구찌 실험계획법을 적용하여 구조해석을 통해 찾은 취약부위의 강도를 개선하면서도 트레일러를 경량화 시킬 수 있는 방안을 제시하였다.
대상 데이터
- 5mm(후방 하부 프레임) 그리고 6mm(후방 범퍼부) 두께의 강판들이 사용되었다. 그리고 탱크의 상부는 2.5mm 그리고 하부는 2.8mm 두께의 강판이 사용되었다. 사용되는 강판은 국내 P사의 항복강도가 700MPa이상이고 인장강도가 780MPa 이상인 고강도강(ATOS80)이 사용되었다.
- 8mm 두께의 강판이 사용되었다. 사용되는 강판은 국내 P사의 항복강도가 700MPa이상이고 인장강도가 780MPa 이상인 고강도강(ATOS80)이 사용되었다.
- 이 트레일러는 기존의 벌크 시멘트 트레일러보다 하부 프레임이 가운데 채널 프레임만으로 구성되어 탱크가 하중지지 역할을 하는 비교적 단순해진 구조를 가지고 있다. 하부 프레임에는 3.6mm(전방 탱크 지지판), 4.5mm(후방 하부 프레임) 그리고 6mm(후방 범퍼부) 두께의 강판들이 사용되었다. 그리고 탱크의 상부는 2.
데이터처리
- ) 직교배열표를 사용하였다. 모든 계산은 Excel에서 프로그램밍하여 수행하였다. Table 1과 2는 각각 Fig.
이론/모형
- 본 연구에서는 인자들간의 교호작용들이 모든 행들에 거의 균등하게 교락되어 있어 강건설계에서 가장 많이 사용되고 있는 L18(21 × 37) 직교배열표를 사용하였다.
성능/효과
- 곡률을 가지고 복잡한 구조의 하부 프레임과 탱크는 삼차원 셸 요소(shell element)인 SHELL63요소를 14만개 이상 사용하여 상세하게 모델링하였으며, 탱크 내부의 보강 프레임은 BEAM188 요소(3D finite strain beam element)들로 모델링하였다. 유한요소모델링을 통해 구한 바퀴부를 제외한 트레일러의 전체 무게는 약 2463kg 정도인 것으로 나타났다.
- 8과 같이 앞쪽 킹핀 홀 구속지점과 뒤쪽 바퀴 연결부위의 변위성분들을 구속하였으며(ux = uy = uz = 0), 안전계수(S=2)를 고려하여 벌크 탱크 하부에 수직 방향 합력이 실제보다 큰 30톤의 분포 압력을 가하였다. 응력해석 결과 Fig. 9와 같이 벌크 탱크 앞쪽에서 422MPa의 최대 von-Mises 응력이 발생하였다. 그림에서 P1, P2, P3, P4는 각각 값이 큰 순서대로 응력집중이 발생하는 위치를 나타내고 있다.
- 변경된 하부 프레임의 두께를 적용하여 초기 모델과 동일한 조건에서 해석한 결과를 Table 6에 비교하였다. 해석결과 벌크 탱크 하부의 무게를 약 125kg(전체 무게의 약 5%)를 줄이면서도, 최대응력의 크기는 6% 이상 감소시키는 결과를 얻을 수 있었다. 큰 하중을 받지 않는 탱크 상부와 하부지지 프레임에 대해서도 추가적인 경량설계를 수행한다면 더욱 큰 경량화 효과를 얻을 수 있을 것으로 판단된다.
후속연구
- (11,12) 벌크 시멘트 트레일러도 분말의 유동에 의한 차체의 전복 및 동적특성에 미치는 영향을 보다 정확하게 파악하기 위해서는, 향후 분말과 같은 비압축성이고 비점성인 유체의 거동과 연성된 구조의 동적 특성에 대한 연구가 추가적으로 이루어져야 할 것으로 판단된다.
- 실제 자동차에서는 경량화를 위해 두께, 강도 등이 다른 강판을 적절한 크기와 형상으로 절단한 후 레이저로 용접하여 원하는 형태의 부품으로 가공하는 테일러 블랭크(Tailor welded blank)방법이 적용되고 있다. 벌크 시멘트 트레일러도 자동차와 같이 서로 다른 두께의 강판들을 적절하게 사용한다면 취약부위의 강도를 보완하면서도 경량화를 시킬 수 있는 좋은 방안이 될 수 있을 것이다. 다구찌 기법은 제품설계 및 공정관리 등을 최적화하기 위해서 사용되는 통계적 실험계획법으로서, 사용환경을 고려하여 우수한 성능을 가지도록 설계변수를 최적화시키도록 제품설계에 적용할 수 있다.
- 향후 연구에서는 유동성을 가지는 비압축성 분말의 거동과 연성된 구조의 동적특성에 대한 연구와 트레일러 전체 구조에 대한 경량설계 연구가 추가적으로 고려되어져야 할 것이다. 이러한 연구들이 지속적으로 진행된다면 국내 특장차들의 품질 경쟁력 제고에 큰 도움이 될 것으로 기대된다.
- 해석결과 벌크 탱크 하부의 무게를 약 125kg(전체 무게의 약 5%)를 줄이면서도, 최대응력의 크기는 6% 이상 감소시키는 결과를 얻을 수 있었다. 큰 하중을 받지 않는 탱크 상부와 하부지지 프레임에 대해서도 추가적인 경량설계를 수행한다면 더욱 큰 경량화 효과를 얻을 수 있을 것으로 판단된다.
- 정적인 응력해석을 통하여 트레일러의 취약부위를 찾은 후, 다구찌 기법을 적용하여 취약부위의 강도는 보강하면서 무게를 줄일 수 있는 설계방안을 제안하였다. 향후 연구에서는 유동성을 가지는 비압축성 분말의 거동과 연성된 구조의 동적특성에 대한 연구와 트레일러 전체 구조에 대한 경량설계 연구가 추가적으로 고려되어져야 할 것이다. 이러한 연구들이 지속적으로 진행된다면 국내 특장차들의 품질 경쟁력 제고에 큰 도움이 될 것으로 기대된다.
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