대형냉장고의 도어 힌지는 냉장고 도어의 개폐 동작을 원활하게 하고, 도어의 하중과 도어개폐로 인한 충격을 견디는 구조 안전성이 요구된다. 하지만, 도어 힌지는 복잡한 힌지 메커니즘과 민감한 구조 안전성으로 인해 설계 시 어려움이 많다. 본 논문에서는 스프링 응답 특성, 공간제약, 구조강도 성능을 만족하는 메커니즘을 설계하고, 메커니즘을 둘러싼 외부 프레임의 부피를 최소화하여 힌지의 생산 단가를 절감하고자 한다. 이를 위해 PIDO(progress integration and design optimization) 기술을 이용하여 모든 설계절차를 자동화함으로써 설계의 효율성을 높이는 성과를 거두었으며, 최적화 결과 목표로 하는 힌지 메커니즘 성능과 구조안정성을 개선하면서 힌지 프레임 질량의 24%를 절감하였다.
대형냉장고의 도어 힌지는 냉장고 도어의 개폐 동작을 원활하게 하고, 도어의 하중과 도어개폐로 인한 충격을 견디는 구조 안전성이 요구된다. 하지만, 도어 힌지는 복잡한 힌지 메커니즘과 민감한 구조 안전성으로 인해 설계 시 어려움이 많다. 본 논문에서는 스프링 응답 특성, 공간제약, 구조강도 성능을 만족하는 메커니즘을 설계하고, 메커니즘을 둘러싼 외부 프레임의 부피를 최소화하여 힌지의 생산 단가를 절감하고자 한다. 이를 위해 PIDO(progress integration and design optimization) 기술을 이용하여 모든 설계절차를 자동화함으로써 설계의 효율성을 높이는 성과를 거두었으며, 최적화 결과 목표로 하는 힌지 메커니즘 성능과 구조안정성을 개선하면서 힌지 프레임 질량의 24%를 절감하였다.
Door hinges of large refrigerators are required to ensure that the doors open and close smoothly in addition to supporting door weights and enduring the impact loads due to door opening and closing. However, door hinge design is difficult because of complex hinge mechanisms and sensitive structural ...
Door hinges of large refrigerators are required to ensure that the doors open and close smoothly in addition to supporting door weights and enduring the impact loads due to door opening and closing. However, door hinge design is difficult because of complex hinge mechanisms and sensitive structural safety. In this study, the mechanism satisfying the required spring response, space constraints, and structural strength is optimized, and the volume of the outer frame covering the hinge mechanism is minimized for reducing production costs. The entire design process is automated using the PIDO(Progress Integration and Design Optimization) technique, which achieves an efficient design process. Therefore, the frame mass is reduced to 24%, and the mechanism performance and structural stability are improved.
Door hinges of large refrigerators are required to ensure that the doors open and close smoothly in addition to supporting door weights and enduring the impact loads due to door opening and closing. However, door hinge design is difficult because of complex hinge mechanisms and sensitive structural safety. In this study, the mechanism satisfying the required spring response, space constraints, and structural strength is optimized, and the volume of the outer frame covering the hinge mechanism is minimized for reducing production costs. The entire design process is automated using the PIDO(Progress Integration and Design Optimization) technique, which achieves an efficient design process. Therefore, the frame mass is reduced to 24%, and the mechanism performance and structural stability are improved.
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문제 정의
본 연구에서는 PIDO기술을 이용하여 해당 힌지의 메커니즘 성능은 개선하면서 메커니즘을 둘러싼 외부 프레임의 부피를 최소화하여 힌지의 생산원가 절감과 구조적 안정성을 높이는 것을 설계목표로 한다.(2)
본 연구에서는 현재 생산되고 있는 힌지의 원활한 구동을 위한 메커니즘을 개선하고, 메커니즘을 감싸는 외부 프레임의 경량화를 목표로 최적 설계를 수행하였다. 힌지 메커니즘 동작성의 검증을 위해 엑셀 해석기를 제작하여 메커니즘 해석을 수행하였으며 ANSYS와 PIAnO를 이용하여 구조해석 및 최적설계 수행을 수행하였다.
본 연구의 목표인 힌지의 생산비용 절감을 큰 수준으로 얻기 위해서는 메커니즘을 둘러싸고 있는 상하부 프레임의 재료원가절감이 가장 중요한 요소이다. 하지만 비용절감 과정에서 기존 힌지 메커니즘과의 유사성과 구조적 안정성이 충분히 고려되어 진행되어야 하므로 본 연구에서는 아래 다섯 가지 고려사항을 제한조건으로 한다.
제안 방법
실험결과 값을 기준으로 타당한 등가하중을 구하기 위하여 다음과 같은 해석을 수행하였다. Fig. 3과 같이 냉장고 끝단에 하중을 적용하여 도어의 관성력에 의한 충돌을 적용하였고 해당 등가하중의 크기를 0.5kgf 만큼 증가시키면서 피로파손이 발생하는 도어개폐 반복횟수를 관찰하였다. Table 1에 나타낸 바와 같이 등가하중이 3.
본 논문에서는 자동 개폐기능 전환 각도(θ)와 도어의 최대개방각도(130°)에서의 스프링 압축비는 각각 Φ1과 Φ2로 정의하였으며, Φ1과 Φ2의 상한(#, #)과 하한(#, #)은 자동개폐기능의 운동성 및 최대 개방각도에서 스토퍼에 가해지는 충돌을 고려하여 설정되었다.
본 연구에서 사용하는 힌지는 도어의 개폐를 돕기 위해 스프링의 인장 및 압축력이 이용된다. Fig.
최적설계는 설계모델의 변경과 구조해석이 반복적으로 이루어진다. 본 연구에서는 이러한 일련의 작업을 컴퓨터가 자동으로 되풀이 할 수 있도록 PIDO 기술을 이용하여 각 프로그램들을 연동하였다.(6) PIDO 프로그램은 PIAnO(7) (Progress Integration, Automation and Optimization) 를 이용하였으며 자동화된 절차는 Fig.
본 연구에서는 힌지 프레임의 질량을 목적함수로 하고, 편의기능 기준각도, 스프링응답 특성, 캠링크와 힌지 외부구조물의 충돌방지 거리 및 최대 개방각도에서 충돌에 의한 응력을 구속조건으로 설정하였으며, 구속조건의 상한과 하한은 Table 2에 나타나 있다. 이를 정식화 하면 식 (5)와 같다.
하지만 충돌해석은 많은 해석 시간을 요구하며, 최적설계 수행 시 설계변경이 이루어질 때마다 반복적 해석이 요구되어 시간적 손실이 많으므로 제조사에서 시행한 피로실험 데이터로부터 계산된 등가하중을 적용하여 해석시간을 단축하였다. 피로실험 결과 파손부위는 Fig.
5kgf 일 때 실제 실험결과인 60,000사이클보다 25% 더 낮은 44,545사이클에서 피로파손이 발생하였다. 해석 결과를 토대로 해석에 있어 보수적인 결과를 얻기 위해 실제 충격하중보다 큰 3.5kgf의 등가하중을 적용 하였다. 등가하중은 Fig.
본 연구에서는 현재 생산되고 있는 힌지의 원활한 구동을 위한 메커니즘을 개선하고, 메커니즘을 감싸는 외부 프레임의 경량화를 목표로 최적 설계를 수행하였다. 힌지 메커니즘 동작성의 검증을 위해 엑셀 해석기를 제작하여 메커니즘 해석을 수행하였으며 ANSYS와 PIAnO를 이용하여 구조해석 및 최적설계 수행을 수행하였다.
대상 데이터
메커니즘 자유도 구속을 위한 대체 설계변수로 캠링크2와 캠 국부좌표계 X축의 사잇각 γ가 선정되었다.
이론/모형
본 연구에서는 이러한 일련의 작업을 컴퓨터가 자동으로 되풀이 할 수 있도록 PIDO 기술을 이용하여 각 프로그램들을 연동하였다.(6) PIDO 프로그램은 PIAnO(7) (Progress Integration, Automation and Optimization) 를 이용하였으며 자동화된 절차는 Fig. 10에 나타내었다.
설계변수는 각 링크의 길이 및 각도, 조인트 좌표, 스토퍼의 위치 등으로 힌지 메카니즘의 형상과 관련이 있다. 본 연구에서는 ANSYS Design Modeler를 이용하여 힌지를 모델링하였으며, 형상설계변수를 용이하게 변경하기 위하여 골조기법(skeleton method)을 사용하였다. 골조기법이란 형상설계변수로 이루어진 뼈대가 되는 스케치(sketch)를 구성하고 이후 모든 모델링 과정의 스케치를 제한조건으로 연동시킴으로서 설계변수 변화에 따른 설계자동화를 구현하는 기법이다.
본 연구에서는 최적화 기법으로 PIAnO에 탑재된 PQRSM(Progressive Quadratic Response Surface Method)을 사용하였다. PQRSM은 2n(n:설계변수 수)+1개의 실험계획을 수행하고, 목적함수 및 구속조건함수에 대해 2차 반응표면 모델을 생성하여 최적설계를 하는 순차적 근사최적설계 기법에 해당된다.
이와 같이 선정된 10개의 변수는 독립적이며 메커니즘의 자유도를 구속하므로 설계변수로 적합해 보이지만 메커니즘 최적화 과정에서는 사용자가 지정한 변수범위 내 값의 변화로 메커니즘의 본래의 기능을 상실하는 경우가 빈번하게 발생하므로, 각각의 연결된 부품들 간의 연속적인 거동을 위해서는 Grashof 법칙을 고려해야 한다.
성능/효과
Fig. 14에서 보는 바와 같이 초기 모델과 최적설계 결과로 얻은 모델의 형상을 비교해 보면 초기 모델에 비해 최적화된 모델은 힌지 레버의 길이가 감소했으며, 스토퍼 위치는 도어에 가까워졌음을 알 수 있다. 이로 인해 최적화된 모델은 도어 및 부하물 하중을 안정적으로 지지하여 도어의 처짐을 개선할 수 있으며, 힌지 전체 부피의 감소로 공간적 이점 또한 추가적으로 기대할 수 있다.
그러므로 최적화과정을 통해 초기 모델에 비해 힌지 메커니즘의 구조적 안정성과 성능이 향상되었고, 동시에 생산단가 절감효과를 거둘 수 있었다.
설계 효율성을 높이기 위해 PIDO 기술을 이용하여 메커니즘 해석, 구조해석 및 최적설계 툴을 유기적으로 연동하였으며, 최적 설계 결과 최대 스프링력과 최대응력이 감소하여 힌지의 구조 안전성을 확보하였다. 또한 힌지 메커니즘 최적화를 통해 메커니즘을 둘러싸고 있는 외부 프레임의 부피가 감소하여 24%의 원가를 절감하는 효과를 거두었다.
설계 효율성을 높이기 위해 PIDO 기술을 이용하여 메커니즘 해석, 구조해석 및 최적설계 툴을 유기적으로 연동하였으며, 최적 설계 결과 최대 스프링력과 최대응력이 감소하여 힌지의 구조 안전성을 확보하였다. 또한 힌지 메커니즘 최적화를 통해 메커니즘을 둘러싸고 있는 외부 프레임의 부피가 감소하여 24%의 원가를 절감하는 효과를 거두었다.
3N으로 적용되었으며, 도어회전운동의 접선방향으로 530mm 떨어진 부분에서 가하도록 하였다. 유한요소는 총 83,000여개로 구성되며, 동해석시 소요시간이 약 8시간이었던 것에 비해 등가하중을 적용한 결과 1분 40초로 해석시간이 단축되었다. 최적설계 과정에서 수백 회의 해석이 반복수행 되는 것을 감안하면 등가하중 적용으로 얻는 시간적 효율성은 매우 크다는 사실을 알 수 있다.
자동개폐 기능의 방향 전환 기준 각은 기존보다 4°증가한 64°로 나타났다.
유한요소는 총 83,000여개로 구성되며, 동해석시 소요시간이 약 8시간이었던 것에 비해 등가하중을 적용한 결과 1분 40초로 해석시간이 단축되었다. 최적설계 과정에서 수백 회의 해석이 반복수행 되는 것을 감안하면 등가하중 적용으로 얻는 시간적 효율성은 매우 크다는 사실을 알 수 있다.
최적화는 총 317회의 해석을 거쳐 완료 되었으며 총 8시간 30분이 소요되었다. 최적화 결과로 도출된 힌지의 성능은 구속조건의 위배 없이 큰 수준으로 프레임 질량감소를 이루었다. 최적화의 목적함수 수렴과정은 Fig.
스프링응답을 특정 짓는 Φ1과 Φ2는 각각 변수범위 하한과 상한에 수렴하였다. 최적화 결과로 얻은 스프링응답 곡선(Fig. 13)을 살펴보면 방향전환각도에서 초기 모델에 비해 스프링력이 큰 수준으로 감소하면서 기존의 메커니즘에 비해 구조적 안정성이 향상되었다. 힌지 외부구조물과의 충돌을 방지하기 위한 유격 Ls는 초기 값인 -5.
6kg이었다. 충돌해석 결과는 Fig. 12에 나타난 바와 같이 최대응력이 214MPa로서 초기모델과 동일한 지점에서 발생하며 14 MPa 만큼 감소하여 구조적 안정성을 더했다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
도어 힌지의 설계가 어려운 이유는?
대형냉장고의 도어 힌지는 냉장고 도어의 개폐 동작을 원활하게 하고, 도어의 하중과 도어개폐로 인한 충격을 견디는 구조 안전성이 요구된다. 하지만, 도어 힌지는 복잡한 힌지 메커니즘과 민감한 구조 안전성으로 인해 설계 시 어려움이 많다. 본 논문에서는 스프링 응답 특성, 공간제약, 구조강도 성능을 만족하는 메커니즘을 설계하고, 메커니즘을 둘러싼 외부 프레임의 부피를 최소화하여 힌지의 생산 단가를 절감하고자 한다.
대형냉장고의 도어 힌지에 요구되는 것은?
대형냉장고의 도어 힌지는 냉장고 도어의 개폐 동작을 원활하게 하고, 도어의 하중과 도어개폐로 인한 충격을 견디는 구조 안전성이 요구된다. 하지만, 도어 힌지는 복잡한 힌지 메커니즘과 민감한 구조 안전성으로 인해 설계 시 어려움이 많다.
힌지의 메커니즘 해석을 위한 두 가지 해석기는?
힌지의 메커니즘 해석은 두 가지 해석기를 통해 수행된다. 엑셀 해석기(Excel solver)는 도어 개방 시 1°마다 링크 사이의 각도 및 조인트 좌표를 계산하여 도어 개방각도에 대한 메커니즘 응답 특성을 분석하고, 상용 해석 프로그램인 ANSYS Workbench는 냉장고 도어의 최대 개방각인 130°에서 힌지내부의 링크와 스토퍼 간 충돌 해석을 수행하는데 사용된다.
참고문헌 (7)
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