[논문]다물체 동역학 및 유한요소 해석을 통한 과수원용 작업차량 안정성 평가에 관한 연구

한창우; 손재환; 박기진; 장은실; 우승민

doi:10.5762/kais.2013.14.9.4142

다물체 동역학 및 유한요소 해석을 통한 과수원용 작업차량 안정성 평가에 관한 연구
A Study on Stability Estimation of a Orchard Vehicle using Multi-Body Dynamic and Finite Element Analysis 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.14 no.9, 2013년, pp.4142 - 4148

한창우 (영남이공대학교 자동차계열) , 손재환 (대구기계부품연구원) , 박기진 (대구기계부품연구원) , 장은실 (대구기계부품연구원) , 우승민 (대경정공(주))

초록
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경사지 과수의 효율적인 재배 및 관리를 위해 과수원 전용 고소 작업차량 사용이 늘어나고 있다. 이러한 이유로 작업자 안전을 위해 고소 작업차의 안정성에 대해 연구가 요구되고 있다. 본 연구는 경사지 흙길을 주행할 수 있는 4개의 바퀴와 2개의 직교 좌표계 적재함을 가진 과수원 차량의 안정성 평가에 대한 연구이다. 차량 메커니즘에 대한 다물체 동역학(MBD) 해석을 통하여 19.2, $34.6^{\circ}$의 좌우 및 상하 방향의 전복각을 계산할 수 있었다. 바퀴들의 주행 저항과 소요 동력을 결정하였다. 그리고 적재함 프레임의 유한요소해석(FEA)를 통하여 최대응력 146 MPa로 구조적으로 안정하다. 따라서 적재함을 가진 바퀴형 과수원 차량은 정적 및 동적 안정성을 가짐을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Because of effective fruit growing and management in the slope land, the use of orchard vehicle with lifting utilities has been increased. For this reason the study on the stability of that vehicle for worker's safety is needed. This study is investigated on the stability estimation of orchard vehicle with four wheels and dual rectangular-type lifting utilities which can be moved on the dirt sloping load. Through the multi-body dynamics analysis on the vehicle mechanism, overturning angles of 19.2 and $34.6^{\circ}$ in the right-left and front-rear direction can be calculated. It is determined tractive resistances and required powers of the wheels. And through the finite element analysis on the frame of lifting utility its maximum von-Mises stress is 146 MPa and it is structural stable. Therefore it is known that the orchard vehicle with wheels and lifting utilities has static and dynamic stability.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

6) 강한 접지력으로 불안전한 지반에 주로 사용되는 궤도 형 작업차에 대한 안정성 및 소요동력 해석도 계속 진행하여 바퀴 형과의 상호 성능비교에 대해 고찰하고자 한다.
시작단계에서 발생할 수 있는 문제점들을 사전에 검토할 수 있도록 해석적 검증방법을 활용하여 작업차의 좌우 및 전후 방향의 전복각을 검토하여 동적 안정성을 판별하고자 한다. 그리고 3가지 다른 등판각에서 작업차 전･후륜에 작용되는 주행 부하 및 소요 동력을 산출하여 차량 제원(Specification)을 만족하는 지 확인하고자 한다. 또한 그 하중으로 인해 전복 안정성에 영향을 주는 배터리에 대한 적절한 위치를 결정하고자 한다.
또한 그 하중으로 인해 전복 안정성에 영향을 주는 배터리에 대한 적절한 위치를 결정하고자 한다. 그리고 적재되는 과수물로 인해 하중이 집중되는 적재함 프레임에 대한 구조해석을 수행함으로써 차량 구조에 대한 정적 안정성을 판별하고자 한다.
그리고 3가지 다른 등판각에서 작업차 전･후륜에 작용되는 주행 부하 및 소요 동력을 산출하여 차량 제원(Specification)을 만족하는 지 확인하고자 한다. 또한 그 하중으로 인해 전복 안정성에 영향을 주는 배터리에 대한 적절한 위치를 결정하고자 한다. 그리고 적재되는 과수물로 인해 하중이 집중되는 적재함 프레임에 대한 구조해석을 수행함으로써 차량 구조에 대한 정적 안정성을 판별하고자 한다.
본 연구를 통해 과수원용 작업차의 동적 안정성 및 등판 시 소요 동력 안정성을 판별하였다. 동적 안정성에 영향을 주는 배터리의 위치를 결정하였으며, 차량구조의 정적 안정성을 고찰하였다.
본 연구에서는 바퀴 형 과수원용 작업차에 대해 정적 및 동적 안정성을 고찰하고자 한다. 시작단계에서 발생할 수 있는 문제점들을 사전에 검토할 수 있도록 해석적 검증방법을 활용하여 작업차의 좌우 및 전후 방향의 전복각을 검토하여 동적 안정성을 판별하고자 한다.
본 연구에서는 바퀴 형 과수원용 작업차에 대해 정적 및 동적 안정성을 고찰하고자 한다. 시작단계에서 발생할 수 있는 문제점들을 사전에 검토할 수 있도록 해석적 검증방법을 활용하여 작업차의 좌우 및 전후 방향의 전복각을 검토하여 동적 안정성을 판별하고자 한다. 그리고 3가지 다른 등판각에서 작업차 전･후륜에 작용되는 주행 부하 및 소요 동력을 산출하여 차량 제원(Specification)을 만족하는 지 확인하고자 한다.
5) 본 연구를 통해 MBD 기구해석 및 FEM 구조해석을 통하여 바퀴 형 과수원용 작업차의 동적 및 정적 안정성을 평가하였다. 향후 차량 전복 및 등판 능력과 소요동력에 대한 시험 연구를 진행하여 본 연구에 대한 신뢰성을 보완하고자 한다.

제안 방법

5) 본 연구를 통해 MBD 기구해석 및 FEM 구조해석을 통하여 바퀴 형 과수원용 작업차의 동적 및 정적 안정성을 평가하였다. 향후 차량 전복 및 등판 능력과 소요동력에 대한 시험 연구를 진행하여 본 연구에 대한 신뢰성을 보완하고자 한다.
MBD 해석 프로그램을 이용하여 경사면에서 고소작업차 좌우 방향 및 등판상태에서의 전후 방향 전복각을 계산하였다. 제시된 한계 경사각 12°를 만족하는 지를 판별하여 전복 안정성을 판정하였다.
Table 2는 작업차의 안정성을 평가하기 위한 조건이다. 가장 극한 조건을 고려하기 위해 우측 적재함에 1471 N의 하중을 부여하였으며, 우측 적재함을 우측으로 800㎜, 높이 2030 ㎜ 위치시킨 채 지면을 서서히 기울이면서 전복되는 수준을 파악하였다. Case 1과 2는 좌우 전복각을 계산할 때 항 수평 장치를 사용 및 미사용한 조건이며, Case 3는 등판상태에서 전후 전복각을 계산할 때 부여되는 조건이다.
경사지에서 과수작업을 수행할 때 항 수평 장치를 사용 및 미사용할 때 바퀴가 지면과의 접촉력이 사라지는 좌우 및 전후 방향의 경사각을 각각의 전복각으로 판단하였다. Fig.
그리고 등판 상태에서 앞쪽 및 뒤쪽 바퀴의 주행 저항(Tractive resistance)을 각각 계산하기 위해 등판각(Gradient angle)을 4, 8, 12°로 3가지로 나누어 부여하였다.
제시된 한계 경사각 12°를 만족하는 지를 판별하여 전복 안정성을 판정하였다. 그리고 등판상태에서의 주행 저항값을 계산하였다.
본 연구를 통해 과수원용 작업차의 동적 안정성 및 등판 시 소요 동력 안정성을 판별하였다. 동적 안정성에 영향을 주는 배터리의 위치를 결정하였으며, 차량구조의 정적 안정성을 고찰하였다. 이러한 연구를 통해 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
2에서 보는 바와 같이 좌･우 적재함은 상하운동을 할 수 있도록 실린더 조인트를, 우측 적재함은 우측으로 이동될 수 있도록 병진조인트를 사용하였다. 또한 항수평 장치는 앞뒤 방향의 실린더 엑츄에이터를 구동하여 좌우 방향 운동을 보정할 수 있도록 실린더 조인트를 만들어 적용 하였다.
본 연구에서는 전산기구동역학 분야에서 다양한 접촉형 문제들에 많이 사용되고 있는 다물체 동역학(MBD, Multi-body dynamics) 구조해석 프로그램을 활용하여 작업차의 기구시스템을 구성하였다.
1의 본 고소 작업차는 비탈진 곳의 과수 열매를 수확함에 있어 편의성과 안정성을 확보하기 위해 기구적 특성을 고려하여 설계하였다. 안정적인 과수를 위해 차량 상부에 직교 좌표계 적재함을, 전복안정성을 향상시키기 위해 차량 상부와 하체 사이에 항 수평 장치를 설치하였다
작업차에 과수 적재 시 차량 프레임의 정적 안정성을 판별하기 위해 유한요소해석(FEA) 프로그램을 사용하여 그 응력 및 변형량 등을 계산하였다[8].
지면은 한쪽 끝에 회전조인트를 설치하고, 이곳에서 모션을 통해 지면의 경사를 형성하면서 차량의 좌우 전복각 수준을 찾도록 하였다. 전복되는 수준은 좌측 바퀴와 지면사이에 존재하는 접촉력(Contact force)을 체크함으로써 차량 전복이 발생하기 시작하는 순간을 찾을 수 있도록 하였다.
제시된 한계 경사각 12°를 만족하는 지를 판별하여 전복 안정성을 판정하였다.
3과 같이 작업차의 기구모델은 해당 자유도를 확보할 수 있도록 링크를 통한 조인트로 모델링 하였으며, 좌측 바퀴와 지면사이는 전도 중심부에 회전 조인트로 연결 구조를 만들고, 우측 바퀴는 지면과 접촉을 부여하였다. 지면은 한쪽 끝에 회전조인트를 설치하고, 이곳에서 모션을 통해 지면의 경사를 형성하면서 차량의 좌우 전복각 수준을 찾도록 하였다. 전복되는 수준은 좌측 바퀴와 지면사이에 존재하는 접촉력(Contact force)을 체크함으로써 차량 전복이 발생하기 시작하는 순간을 찾을 수 있도록 하였다.
한계 경사각을 3 등분배한 4, 8, 12° 등판 조건에서 전후륜 주행 저항을 해석적으로 산출하였다.

대상 데이터

본 연구에 사용된 차량 모델은 Fig. 4 및 Table 1과 같은 제원을 갖고 있다. 좌우 적재함은 상하 방향으로 820～2030 ㎜, 우측 적재함은 우측으로 800 ㎜ 수평 이동할 수 있다.

성능/효과

1) MBD 해석 결과 항 수평 장치를 사용한 경우 계산된 좌우 및 전후 방향 전복각이 각각 19.6, 34.6 °로서 제시된 한계경사각 12 °를 만족하므로 동적으로 안정하다고 판단된다.
2) 12 ° 경사각을 등판하기 위해서는 0.5 ㎾가 소요되며, 제시된 모터 동력을 만족함을 알 수 있었다.
3) MBD 해석을 통해 작업차의 동적 안정성을 향상시킬 수 있는 배터리 위치를 결정할 수 있었다.
4) 하중이 집중되어 응력에 취약한 적재함 구조에 대한 유한요소해석을 수행한 결과 그 최대응력들이 항복응력보다 적고 최대 변위 또한 미소하므로 차량 프레임은 정적 안정성을 갖추었다고 판단된다.
Fig. 10에서처럼 적재함 위치 2030 ㎜의 경우에 적재함 롤러(Bucket roller)가 프레임(Frame)에 하중을 가하는 부분에서 최대 응력 146 MPa이, 프레임 하부에서 최대 변형량 5.3 ㎜ 발생됨을 알 수 있었다. 프레임 항복 응력은 250 MPa이고, 변형량은 미소하므로 차량구조는 정적으로 안정하다고 판단된다.
5 ㎾가 소요되며, 제시된 모터 동력을 만족함을 알 수 있었다. 또한 등판각이 증가됨에 따라 변화되는 앞·뒤 바퀴의 주행저항의 경향을 파악할 수 있었다.
차량 동력장치의 제원은 Table 3과 같으며, 식 (3)에 의해 적재 및 무적재 시 소요 동력은 각각 0.505, 0.341㎾로 산출되어 공급 제원 3.7 ㎾를 만족하며, 최대부하 시 주행 소비에너지 14%로 과수작업에 필요 에너지를 충분히 확보하고 있음을 알 수 있었다.
항수평장치의 작동으로 전복각이 12.9 ° 로 향상되어 한계 경사각 12°보다 크므로 전복 안정성이 만족되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	동적 안정성에 영향을 주는 배터리의 위치를 결정하였으며, 차량구조의 정적 안정성을 고찰한 연구 결과는?	1) MBD 해석 결과 항 수평 장치를 사용한 경우 계산된 좌우 및 전후 방향 전복각이 각각 19.6, 34.6 °로서 제시된 한계경사각 12 °를 만족하므로 동적으로 안정하다고 판단된다. 2) 12 ° 경사각을 등판하기 위해서는 0.5 ㎾가 소요되며, 제시된 모터 동력을 만족함을 알 수 있었다. 또한 등판각이 증가됨에 따라 변화되는 앞 뒤 바퀴의 주행저항의 경향을 파악할 수 있었다. 3) MBD 해석을 통해 작업차의 동적 안정성을 향상시킬 수 있는 배터리 위치를 결정할 수 있었다. 4) 하중이 집중되어 응력에 취약한 적재함 구조에 대한 유한요소해석을 수행한 결과 그 최대응력들이 항복응력보다 적고 최대 변위 또한 미소하므로 차량 프레임은 정적 안정성을 갖추었다고 판단된다. 5) 본 연구를 통해 MBD 기구해석 및 FEM 구조해석을 통하여 바퀴 형 과수원용 작업차의 동적 및 정적 안정성을 평가하였다. 향 후 차량 전복 및 등판 능력과 소요동력에 대한 시험 연구를 진행하여 본 연구에 대한 신뢰성을 보완하고자 한다. 6) 강한 접지력으로 불안전한 지반에 주로 사용되는 궤도 형 작업차에 대한 안정성 및 소요동력 해석도 계속 진행하여 바퀴 형과의 상호 성능비교에 대해 고찰하고자 한다.
	전복안정성을 향상시키기 위해 무엇을 설치했는가?	1의 본 고소 작업차는 비탈진 곳의 과수 열매를 수확함에 있어 편의성과 안정성을 확보하기 위해 기구적 특성을 고려하여 설계하였다. 안정적인 과수를 위해 차량 상부에 직교 좌표계 적재함을, 전복안정성을 향상시키기 위해 차량 상부와 하체 사이에 항 수평 장치를 설치하였다
	MBD 해석 프로그램을 이용해 무엇을 계산하는가?	MBD 해석 프로그램을 이용하여 경사면에서 고소작업차 좌우 방향 및 등판상태에서의 전후 방향 전복각을 계산하였다. 제시된 한계 경사각 12°를 만족하는 지를 판별하여 전복 안정성을 판정하였다.

참고문헌 (9)

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J. U. Cho, K. S. Kim, E. J. Lee, "Structural Safety Analysis on Car Body at Overturn," Journal of KAIS, Vol.12, No.1 pp.32-37, 2011. DOI: http://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2011.12.1.032

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E. S. Kim, Shassy, Automotive Engineering Series, Gypheon-Sa, No.4, pp.10-32, 1990.

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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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