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문제 정의
- 1) 본 연구에서는 이러한 주요 부분의 응력 분포를 비교하고 피로해석을 수행하여 취약부위를 파악하고자한다.
제안 방법
- 본 연구에서는 커넥팅로드의 응력집중 부위인 섕크부의 응력해석, 피로해석을 통하여 커넥팅로드의 설계해석 절차를 제시하였고 실험계획법을 사용하여 주요 설계변수 변화에 따른 시스템의 민감도를 분석하였다. 유한요소해석은 5 단계의 하중을 커넥팅로드 결합 모델에 적용하였고 상용 유한요소 코드인 ABAQUS8)를 사용하였다.
- 유한요소해석은 5 단계의 하중을 커넥팅로드 결합 모델에 적용하였고 상용 유한요소 코드인 ABAQUS8)를 사용하였다. 또한 상용 피로 해석 코드인 FEMFAT9)을 사용하여 피로 수명을 예측하였다.
- 10) 고출력의 엔진부하를 견디기 위해서는 기존의 재료보다 재료강도를 향상시키는 방안과 설계과정에서 구조를 최적화 하여 내구성을 강화하는 방법들이 사용되어지고 있다. 본 연구에서 사용한 접근 방법은 응력해석과 피로해석의 결과를 실험계획법과 연계하여 커넥팅로드의 내구성을 증진할 수 있는 방안을 사용하였다. 설계인자의 변경에 따른 설계민감도 분석은 반응에 미치는 설계인자의 영향을 체계적으로 나타낼 수 있었다.
- 1). 전처리기인 Hyperemsh를 사용하여 사면체 요소를 생성하였다. 전체 모델은 약 70,000여개의 절점이 사용 되었고 ABAQUS 사에서 제공하는 사면체 요소(C3D10M)을 이용하였다.
- 전체모델의 거동과 응력해석의 결과를 바탕으로 하여 경계조건을 적용하였다. 대단부에 접촉 장착되어 있는 크랭크핀의 중심을 고정하여 강체운동을 방지하였고 피스톤 핀의 중심을 운동방향으로만 움직일 수 있도록 설정하였다(Fig.
- 전체모델의 거동과 응력해석의 결과를 바탕으로 하여 경계조건을 적용하였다. 대단부에 접촉 장착되어 있는 크랭크핀의 중심을 고정하여 강체운동을 방지하였고 피스톤 핀의 중심을 운동방향으로만 움직일 수 있도록 설정하였다(Fig. 1). 피스톤핀의 양 끝단 부분에 계산된 압축하중과 인장하중을 작용하였다.
- 1). 피스톤핀의 양 끝단 부분에 계산된 압축하중과 인장하중을 작용하였다. 모델의 접촉부에는 ABAQUS에서 제공하는 소규모 미끄러짐 접촉조건(small sliding contact)을 적용하였고 부싱과 베어링에는 끼워맞춤 (interference fit)을 적용하였다.
- 성공적인 구조물 설계는 주요 응력집중 부위에서의 발생 응력을 설계목표치(design target) 이하로 유지하도록 하는 것이다. 주요 설계변수와 혼란요소를 Table 3과 같이 설정하고 강건 설계 개념을 이용하여 어떤 설계변수가 시스템에 가장 큰 영향을 미치는지 평가한다. 본 연구에서는 실질적으로 변경이 가능한 커넥팅로드 섕크 편평부(shank flat area)의 폭과 주요 혼란 요소 중에서 압축하중과 볼트 체결력을 설계변수로 선택하였다.
- 주요 설계변수와 혼란요소를 Table 3과 같이 설정하고 강건 설계 개념을 이용하여 어떤 설계변수가 시스템에 가장 큰 영향을 미치는지 평가한다. 본 연구에서는 실질적으로 변경이 가능한 커넥팅로드 섕크 편평부(shank flat area)의 폭과 주요 혼란 요소 중에서 압축하중과 볼트 체결력을 설계변수로 선택하였다. 1개의 설계변수, 2개의 혼란요소와 수준(level)은 Table 4와 같이 설정하였다.
- Minitab을 활용하여 통계적 방법으로 데이터를 분석하였다. 반응값을 얻기 위하여 실험 횟수에 비교적 비 제한적인 유한요소해석을 수행하였으므로 3 수준의 3인자 요인실험(full factorial design)을 택하였다. 요인실험에 대한 실험횟수는 27로 설정하였고 통계 분석에는 주작용과 교호작용을 모두 포함하였다.
- 커넥팅로드 어셈블리 시스템에 대한 유한요소해석 결과와 실험계획법을 이용하여 시스템의 성능을 좌우하는 설계 변수들의 영향도를 고찰하였다. 커넥팅로드 어셈블리 시스템의 1개의 설계인자와 2개의 혼란요소가 시스템 반응에 미치는 영향을 고찰하였고 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 커넥팅로드 어셈블리 시스템에 대한 유한요소해석 결과와 실험계획법을 이용하여 시스템의 성능을 좌우하는 설계 변수들의 영향도를 고찰하였다. 커넥팅로드 어셈블리 시스템의 1개의 설계인자와 2개의 혼란요소가 시스템 반응에 미치는 영향을 고찰하였고 다음과 같은 결론을 도출하였다.
대상 데이터
- 유한요소 해석에 사용된 모델은 커넥팅로드, 커넥팅로드캡, 단순화된 피스톤핀, 크랭크핀으로 구성되어 있다(Fig. 1). 전처리기인 Hyperemsh를 사용하여 사면체 요소를 생성하였다.
- 전처리기인 Hyperemsh를 사용하여 사면체 요소를 생성하였다. 전체 모델은 약 70,000여개의 절점이 사용 되었고 ABAQUS 사에서 제공하는 사면체 요소(C3D10M)을 이용하였다.
데이터처리
- 11) 최적설계조건을 찾기 위하여 각 경우에 대한 결과값을 출력하여 분석을 수행하였다.
- 유한요소 해석을 활용하여 설계 인자들의 변화에 따른 커넥팅로드에 미치는 반응값으로 설정한 최대응력을 구하여 Table 5에 정리하였다. Minitab을 활용하여 통계적 방법으로 데이터를 분석하였다. 반응값을 얻기 위하여 실험 횟수에 비교적 비 제한적인 유한요소해석을 수행하였으므로 3 수준의 3인자 요인실험(full factorial design)을 택하였다.
- 요인실험에 대한 실험횟수는 27로 설정하였고 통계 분석에는 주작용과 교호작용을 모두 포함하였다. 각 인자들이 커넥팅로드의 최대응력에 미치는 주효과와 인자들 간의 교호작용을 알아보고 각 인자들의 최적수준을 구하기 위해 Table 5의 실험계획표를 따라서 27번의 유한요소해석을 실시하였다. 분산분석(Analysis of variance)을 실시하여 각 인자들의 유의함을 분석하였다.
- 각 인자들이 커넥팅로드의 최대응력에 미치는 주효과와 인자들 간의 교호작용을 알아보고 각 인자들의 최적수준을 구하기 위해 Table 5의 실험계획표를 따라서 27번의 유한요소해석을 실시하였다. 분산분석(Analysis of variance)을 실시하여 각 인자들의 유의함을 분석하였다. Table 6의 결과를 고찰하면 주효과 A, B, C중 C가 유의하고 B와 C는 유의하지 않음을 알 수 있었다.
- 또한 교호작용 A×B, A×C, B×C는 유의하지 않음을 알 수 있었다. 분산분석을 수행 후상대적으로 유의하지 않은 인자들을 오차항으로 풀링 후에 다시 분산분석을 실시하였다(Table 7). 인자들의 분산값은 오차항을 풀링한 후에도 변화가 없었으므로 직교성을 유지하고 있는 것을 나타낸다.
이론/모형
- 본 연구에서는 커넥팅로드의 응력집중 부위인 섕크부의 응력해석, 피로해석을 통하여 커넥팅로드의 설계해석 절차를 제시하였고 실험계획법을 사용하여 주요 설계변수 변화에 따른 시스템의 민감도를 분석하였다. 유한요소해석은 5 단계의 하중을 커넥팅로드 결합 모델에 적용하였고 상용 유한요소 코드인 ABAQUS8)를 사용하였다. 또한 상용 피로 해석 코드인 FEMFAT9)을 사용하여 피로 수명을 예측하였다.
- 모델의 접촉부에는 ABAQUS에서 제공하는 소규모 미끄러짐 접촉조건(small sliding contact)을 적용하였고 부싱과 베어링에는 끼워맞춤 (interference fit)을 적용하였다.
- 사용된 재료는 선형탄성(linear- elastic model) 거동 모델을 이용하였고, 사용된 재료는 Table 2에 나타내었다.
- 인자의 수준은 곡률 효과를 고려한 3 수준으로 정하였다. 실험계획은 상용통계소프트웨어인 Minitab을 사용하여 CDOE(computational design of experiment)를 Table 5와 같이 구성하였다.11) 최적설계조건을 찾기 위하여 각 경우에 대한 결과값을 출력하여 분석을 수행하였다.
성능/효과
- 인장하중과 압축하중의 반복에 의한 피로 손상의 누적은 커넥팅로드 섕크(shank)의 취약부에 응력 집중을 발생시켜 바람직하지 않은 결과를 가지고 올 수 있다.1,4) 컴퓨터 응용설계(CAE)를 활용한 엔진구조해석은 응력집중부에서 설계 인자가 미치는 영향을 평가하고 이를 설계에 반영함으로써 효율적인 설계가 가능하도록 하는 역할을 한다.5) 최근의 차량개발은 컴퓨터를 활용하는 CAE설계를 접목하여 저비용, 최적화된 솔루션을 제공하여 왔다.
- 1) 3개의 주 인자 중 압축하중이 반응값에 영향을미침을 알 수 있었다.
- 2) 상대적으로 볼트체결하중과 섕크 편평부 폭의 증감은 반응값에 영향을 미치지 못하였다.
- 3) 교호작용은 반응값에 영향을 거의 주지 않았다.
- 4) 설계인자인 섕크 편평부 폭의 증감보다 혼란요소인 작용하중이 시스템반응에 대한 영향이 크기 때문에 유한요소 해석을 위한 하중계산에 보다 정확한 값의 적용이 필수적임을 알 수 있었다.
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