[논문]반응표면법을 이용한 마그네슘 암레스트 프레임의 최적설계 연구

김은성

doi:10.7735/ksmte.2012.21.5.797

반응표면법을 이용한 마그네슘 암레스트 프레임의 최적설계 연구
A Study of Optimal Design for Mg Armrest Frame by using Response Surface Method 원문보기

한국생산제조시스템학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, v.21 no.5, 2012년, pp.797 - 804

김은성 ((재)전주기계탄소기술원)

Abstract ▼ AI-Helper

Magnesium has a long tradition of use as a lightweight material in the field of automotive industry. This paper presents the design optimization process of Mg armrest frame to minimize its weight by replacing the steel frame. formerly, the analysis of steel armrest frame was peformed to determine the design specifications for Mg armrest frame. The initial design of Mg armrest frame was carried out by topological optimization technique. After six types of design variables and four types of response variables were defined, DOE(Design of Experiment) and RSM (Response Surface Method) were applied in order to measure sensitivity of design variables and realize optimization through regression model. After design optimization, the weight of the optimized Mg armrest frame was reduced by about 3% compared to the initial design of the Mg frame and was decreased by 41.7% in comparison with that of the steel frame. Some prototypical armrest frames were also made by die casting process and tested. The results were satisfying for its design specifications.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

마그네슘의 경우 스틸 대비 탄성계수가 낮아 2차 관성모멘트와 리브 패턴을 통해 강성을 보강하고자 하였다. 또한 성형 공법, 강도, 관성모멘트 등을 고려한 단면 형상을 설계 시 기존 스틸 사양의 경우 좌/우측으로 이원화 되어 있어 생산, 조립 및 용접 공정에 생산력을 저해하는 요인으로 작용되었으나 마그네슘의 경우 좌/우측을 공용으로 사용 할 수 있는 일체형으로 설계함으로써 공정비용 절감과 작업의 효율성을 향상시키고자 하였다. 또한 설계 목표중량을 기존 스틸 암레스트 프레임 대비 40% 이상으로 1.
Table 1은 Mg AM60과 스틸 물성을 비교 도시하였다. 마그네슘의 경우 스틸 대비 탄성계수가 낮아 2차 관성모멘트와 리브 패턴을 통해 강성을 보강하고자 하였다. 또한 성형 공법, 강도, 관성모멘트 등을 고려한 단면 형상을 설계 시 기존 스틸 사양의 경우 좌/우측으로 이원화 되어 있어 생산, 조립 및 용접 공정에 생산력을 저해하는 요인으로 작용되었으나 마그네슘의 경우 좌/우측을 공용으로 사용 할 수 있는 일체형으로 설계함으로써 공정비용 절감과 작업의 효율성을 향상시키고자 하였다.
세계 우수의 자동차 생산업체에서는 강화된 환경기준에 대처하고 에너지의 효율적인 사용을 위한 방안으로 성능이 우수한 자동차 개발에 노력하고 있으며 이에 연비향상과 배기가스 규제기준을 만족시키기 위해서 경량화 연구개발에 집중하고 있다⁽¹⁾. 본 논문에서는 상용차의 암레스트 프레임을 대상으로 경량소재인 마그네슘 AM60을 사용하여 국내 자동차 업계의 요구기준을 만족하는 경량화, 고강도 암레스트 프레임의 설계 최적화를 실현하고자 하였다.
1차에서는 상부의 측면 굽힘 모드, 2차에서 상부와 하부의 측면 및 수직 굽힘 모드가 나타났다. 본 논문에서는 암레스트 프레임 상부와 하부 연결 지지부의 강성을 보기 위해 하부구조에 대한 분석에 적합한 모드이면서 Fig. 1에서의 수직과 측면 굽힘 하중과 상관성이 높은 2차 모드를 통해 연구가 진행되었다. 목표치는 130Hz 동등 이상 값으로 설정하였다.

제안 방법

. 그리고 최적화를 통해 추출된 결과로 모델링을 생성하여 설계변수에 대한 검증을 수행하였으며 최적화 기법의 검증을 위해 실험을 시행하였다.
리브 패턴에 대한 설계는 위상최적화 기능을 사용하였다. 또한 마그네슘 동강성 모드 값을 높이기 위해 기존 스틸사양의 2개의 체결구조에서 3개의 체결구조로 설계 하였다. Fig.
3MPa로 설계 목표치에 만족하였으나 측면조건에서 목표값 이하로 나타나서 이에 설계변수 6개를 선정하여 직교배열표는 L₁₈(3⁶)에 따라 반응함수인 변형량, 응력, 모드값, 중량 감소량을 산출하였다. 또한 반응함수 각각의 회귀모델과 가중치를 고려한 통합 회귀모델을 구해 최적화 설계 변수를 구하였다.
또한 성형 공법, 강도, 관성모멘트 등을 고려한 단면 형상을 설계 시 기존 스틸 사양의 경우 좌/우측으로 이원화 되어 있어 생산, 조립 및 용접 공정에 생산력을 저해하는 요인으로 작용되었으나 마그네슘의 경우 좌/우측을 공용으로 사용 할 수 있는 일체형으로 설계함으로써 공정비용 절감과 작업의 효율성을 향상시키고자 하였다. 또한 설계 목표중량을 기존 스틸 암레스트 프레임 대비 40% 이상으로 1.45kg을 설정하고 연구를 진행하였다.
초기 마그네슘 암레스트 프레임 설계를 위해 플라스틱 외장부품과의 간섭과 공차를 고려하여 최대 단면을 설정하였다. 또한 좌/우측 공용화 설계를 위해마그네슘 암레스트의 중간층을 경계로 대칭이 되게 설계하였으며 주요 단면의 형상 결정 후 강성 보강을 위해 리브의 기본 패턴을 결정하였다. 리브 패턴에 대한 설계는 위상최적화 기능을 사용하였다.
또한 좌/우측 공용화 설계를 위해마그네슘 암레스트의 중간층을 경계로 대칭이 되게 설계하였으며 주요 단면의 형상 결정 후 강성 보강을 위해 리브의 기본 패턴을 결정하였다. 리브 패턴에 대한 설계는 위상최적화 기능을 사용하였다. 또한 마그네슘 동강성 모드 값을 높이기 위해 기존 스틸사양의 2개의 체결구조에서 3개의 체결구조로 설계 하였다.
5kg으로 구성되어 있다. 마그네슘 사양의 경우 플라스틱 외장부품과 상관부품의 연결 방식을 유지한 상태에서 기존 스틸 형상을 마그네슘 다이캐스팅 성형을 할 수 있는 형상으로 대체하여 경량화를 달성하고자 하였다. Table 1은 Mg AM60과 스틸 물성을 비교 도시하였다.
마그네슘 사양의 최적 설계를 위하여 하중 및 구속조건에 대한 위상최적화와 비선형해석을 수행하여 모델에 적용될 최대 개선 가능 영역을 결정하였다(7). 초기 마그네슘 암레스트 프레임 설계를 위해 플라스틱 외장부품과의 간섭과 공차를 고려하여 최대 단면을 설정하였다.
마그네슘 암레스트 프레임에 관한 제품규격은 국내외 자동차 제조업체에서 아직 정립하지 못한 상황으로 본 연구에서는 기존 사양을 비교모델로 구조 강도 및 동강성을 기준을 설정하였다^(4~6). 스틸 사양의 기준으로 Table 2와 같은 하중조건을 선정 하여 구조강도 해석을 수행하였다.
먼저 수직조건은 암레스트 프레임 끝단 50mm 위치에 1500N(30N±0.5/sec) 의 수직하중을 부하한 후 변형량을 측정하며 측면조건은 끝단에서 50mm위치에 700N(30N±0.5/sec)의 측면하중을 부하한 후 변형량을 측정하였다.
3는 위상최적화를 통해 얻어진 결과로서 측면하중조건에서 기본 형태와 리브 패턴을 보여주고 있으며 응력과 변형 한도 내에서 중량의 10%를 감소할 수 있는 최대 개선 가능 영역을 결정하였다. 붉은색의 부분은 제거 가능한 부분으로 나타났으며 위상최적화 해석으로부터 얻어진 설계 영역을 실험계획법의 설계변수로 설정하여 상세위치와 크기를 결정하였다. 하단부는 해석상 제거 부분으로 나타났으나 상관부품을 체결하기 위한 고정부분으로 형상이 필수적이여서 제거 부분에서 제외하였다.
5/sec)의 측면하중을 부하한 후 변형량을 측정하였다. 선행으로 스틸 사양을 해석하여 각 하중 조건에서 마그네슘 프레임의 목표를 설정하였다.
실험계획법에 의해 18개의 모델을 생성하여 비선형 해석을 수행하여 Table 5와 같이 결과를 산출하였다. 이를 바탕으로 각 설계변수에 대한 민감도 분석을 하였다.
마그네슘 사양의 최적 설계를 위하여 하중 및 구속조건에 대한 위상최적화와 비선형해석을 수행하여 모델에 적용될 최대 개선 가능 영역을 결정하였다(7). 초기 마그네슘 암레스트 프레임 설계를 위해 플라스틱 외장부품과의 간섭과 공차를 고려하여 최대 단면을 설정하였다. 또한 좌/우측 공용화 설계를 위해마그네슘 암레스트의 중간층을 경계로 대칭이 되게 설계하였으며 주요 단면의 형상 결정 후 강성 보강을 위해 리브의 기본 패턴을 결정하였다.
최적화 기법으로는 최근 산업현장에 많이 적용되고 있는 실험계획법(Design of Experiment, DOE)의 근사화 기법(approximation method)인 반응 표면법(Response Surface Methodology, RSM) 으로 설계변수에 대한 회귀 분석을 통해 근사모델를 구하여 최적화를 수행하였다^(2,3). 그리고 최적화를 통해 추출된 결과로 모델링을 생성하여 설계변수에 대한 검증을 수행하였으며 최적화 기법의 검증을 위해 실험을 시행하였다.
최적화 설계에 따른 다이캐스팅 성형 후 검증 평가를 위해 Fig. 11과 같이 수직과 측면 굽힘 시험을 실시하였다. Fig.
3MPa로 목표치에 만족하는 것으로 나타났다. 측면조건에서는 변형량이 25.8mm, 응력은 162MPa으로 목표치와 부합하지 않아 본 연구에서는 수직조건을 제외한 측면조건을 기준으로 해석을 시행하였으며 실험계획법을 실행하였다.

대상 데이터

(1) 기존 스틸 사양은 수직과 측면 굽힘 변형량이 8.1mm, 20.2mm, 동강성 해석에서는 2차 모드에서 130Hz를 나타냈으며 이를 기반으로 마그네슘 암레스트 프레임의 연구목표값을 선정하였다.

이론/모형

본 연구에서는 마그네슘 암레스트 프레임의 최적설계를 위하여 위상최적화, 실험계획법, 반응표면법을 이용하였다. 그리고 최적 결과를 도출하였으며 초기 스틸 사양 동등 목표치에 대비하여 변형량, 응력, 모드값이 만족하였으며 중량감소 효과를 가져왔다.

성능/효과

(2) 위상최적화 해석을 통해 초기 모델을 설정하였으며 수직 조건 굽힘 해석을 통해 변형량이 1.97mm, 등가응력이 104.3MPa로 설계 목표치에 만족하였으나 측면조건에서 목표값 이하로 나타나서 이에 설계변수 6개를 선정하여 직교배열표는 L₁₈(3⁶)에 따라 반응함수인 변형량, 응력, 모드값, 중량 감소량을 산출하였다. 또한 반응함수 각각의 회귀모델과 가중치를 고려한 통합 회귀모델을 구해 최적화 설계 변수를 구하였다.
(3) 최적화 설계를 통해 기존 스틸 사양에 비해 41.7%의 경량모델을 도출하였으며 초기 위상최적화를 통한 모델과 최적화 설계를 통한 모델을 비교할 때 응력은 3%, 모드 값은 약 7%, 중량 목표치 대비 절감 효과는 약 3%의 향상된 결과를 얻을 수 있었다. 최적화 설계에 따른 성형품의 검증평가에서도 해석과 유사한 값을 확인하였다.
9은 식 (8)을 통해 회귀모델과 가중치 해석 결과값에 대한 비교 그래프이다. 가중치 해석값을 기준으로 근사값 오차 R²를 평가⁽¹⁰⁾했을 때 99.0% 정도 수준의 근사화를 보였다.
본 연구에서는 마그네슘 암레스트 프레임의 최적설계를 위하여 위상최적화, 실험계획법, 반응표면법을 이용하였다. 그리고 최적 결과를 도출하였으며 초기 스틸 사양 동등 목표치에 대비하여 변형량, 응력, 모드값이 만족하였으며 중량감소 효과를 가져왔다. 본 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다.
2mm의 변형량을 보였다. 또한 스틸 사양의 고정점(fix point) 2개소에서의 동강성 해석 결과는 1차 모드 68.4Hz와 2차 모드 130.8Hz의 값을 보였다. 1차에서는 상부의 측면 굽힘 모드, 2차에서 상부와 하부의 측면 및 수직 굽힘 모드가 나타났다.
해석결과에서도 설계변수 x₄부위에 최대 응력이 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 민감도 분석 결과 응력은 설계변수 x₁에서, 모드 값과 중량절감은 설계변수 x₄에서 많은 영향이 있음을 알 수 있었으며 왼쪽 그래프와 같이 최적 레벨을 도출하였다. 또한 Fig.
위상최적화를 통한 마그네슘 암레스트 프레임의 초기 모델의 수직조건 해석은 Fig.4와 같이 변형량이 1.97mm, 응력은 104.3MPa로 목표치에 만족하는 것으로 나타났다. 측면조건에서는 변형량이 25.
최적 변수를 적용하여 해석을 수행한 결과 Fig. 10과 같이 변형량은 20.65mm로 초기 설계안의 해석 값에 비해서 약 20%정도 감소하였으며 응력은 156.4MPa로 약 3%, 모드 값은 약 7%, 중량 절감 효과는 약 3%의 향상된 결과를 얻었다. Table 7는 초기 설계안과 최적설계 결과 값 그리고 회귀 분석 모델에 의한 산출 값을 비교하였다.
추정된 회귀모델에 대한 정도(precision)평가를 위해 분산분석표의 의한 결정계수(coefficient of determination) R²를 이용하여 회귀모델의 정도는 모두 99.0% 정도 수준의 근사화를 보였다. Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	최근 산업현장에서 많이 적용되는 최적화 기법의 종류는?	최적화 기법으로는 최근 산업현장에 많이 적용되고 있는 실험계획법(Design of Experiment, DOE)의 근사화 기법(approximation method)인 반응 표면법(Response Surface Methodology, RSM) 으로 설계변수에 대한 회귀 분석을 통해 근사모델를 구하여 최적화를 수행하였다(2,3). 그리고 최적화를 통해 추출된 결과로 모델링을 생성하여 설계변수에 대한 검증을 수행하였으며 최적화 기법의 검증을 위해 실험을 시행하였다.
	기존 스틸 사양 암레스트 프레임은 어떻게 구성되어 있는가?	기존 스틸 사양 암레스트 프레임은 총 38개의 스틸 용접품으로 이루어져 총중량이 2.5kg으로 구성되어 있다. 마그네슘 사양의 경우 플라스틱 외장부품과 상관부품의 연결 방식을 유지한 상태에서 기존 스틸 형상을 마그네슘 다이캐스팅 성형을 할수 있는 형상으로 대체하여 경량화를 달성하고자 하였다.
	본 연구에서 연구한 마그네슘 암레스트 프레임의 최적설계에 대한 결과는?	(1) 기존 스틸 사양은 수직과 측면 굽힘 변형량이 8.1mm, 20.2mm, 동강성 해석에서는 2차 모드에서 130Hz를 나타냈으며 이를 기반으로 마그네슘 암레스트 프레임의 연구목표값을 선정하였다. (2) 위상최적화 해석을 통해 초기 모델을 설정하였으며 수직 조건 굽힘 해석을 통해 변형량이 1.97mm, 등가응력이 104.3MPa로 설계 목표치에 만족하였으나 측면조건에서 목표값 이하로 나타나서 이에 설계변수 6개를 선정하여 직교배열표는 L18(36)에 따라 반응함수인 변형량, 응력, 모드값, 중량 감소량을 산출하였다. 또한 반응함수 각각의 회귀모델과 가중치를 고려한 통합 회귀모델을 구해 최적화 설계 변수를 구하였다. (3) 최적화 설계를 통해 기존 스틸 사양에 비해 41.7%의 경량모델을 도출하였으며 초기 위상최적화를 통한 모델과 최적화 설계를 통한 모델을 비교할 때 응력은 3%, 모드 값은 약 7%, 중량 목표치 대비 절감 효과는 약 3%의 향상된 결과를 얻을 수 있었다. 최적화 설계에 따른 성형품의 검증평가에서도 해석과 유사한 값을 확인하였다.

참고문헌 (10)

Hwang, W. C., Sim, J. K., and Yang, I. Y., 2011, "A Strudy on the Collapse Characteristics of Al/CFRP Square Structural Member for Light Weight," KSMTE, Vol. 20, No. 3, pp. 219-224.
Park, H. S., Kim, J. H., and Dang, X. P., 2008, "Optimum Design of the Plastic Armrest Frame for Lightweight Automobiles," KSMTE 2008 Autumn Conference, pp. 172-178.
Kim, Y. S., and Kwon, W. T., 2011, "Determination of Optimal Cutting Conditions in Milling Process using Multiple Design of Experiments Technique," KSMTE, Vol. 20, No. 3, pp. 232-238.
Shin, H. W., and Chung, Y. J., 2009, "Dynamic Stiffness and Frequency Response Analysis for the Development of Magnesium Oil Pans," Transactions of KSAE, Vol. 17, No. 2, pp. 141-149.
Woo, H. W., Lee, S. B., Kim, S. B., and Kim, H. Y., 2004, "A Study on the Development of Aluminum Seat Frame for Commercial Bus," Transactions of KSAE, Vol. 12, No. 3, pp. 91-100.
Moon, H. K., Kang, H. W., Noh, S. H., Kim, D. R., and Kim, S. H., 2011, "Structural Stiffness Analysis for Side of High Stiffness Polymeric Rear Seat Armrest Frame," KSAE 2011 Annual Conference, PP. 2138-2142.
Jang, I. S., and Min, B. J., 2006, "A Study on the Weight Optimization for the Passenger Car Seat Frame Part," Transactions of KSAE, Vol. 14, No. 5, pp. 155-163.
Lee, B. Y., and Lee, H. W., 2007, "Shape Optimal Design of an Automotive Pedal Arm Using the Taguchi Method," Journal of the Korean Society for Precision Engineering, Vol. 24, No. 3, pp. 76-83.
Myers, R. H., and Montgomery, D. C., 1995, Response Surface Methodology: Process and Product Optimization using Designed Experiments, Wiley, New York.
Baek, S. H., Kim, H. S., and Han, D. S., 2011, "Structural Optimization of Variable Swash Plate for Automotive Compressor Using Orthogonal Polynomials," KSME, Vol. 35, No. 10, pp. 1273-1279.

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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