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문제 정의
- 본 연구에서는 다구찌 기법을 이용하여 강성적 측면과 배수 성능적 측면에서 스틸그레이팅의 설계 파라미터를 동시적으로 최적화 시키고자 하였다.
제안 방법
- (4) 강성 측면에서의 성능 평가는 Fig. 2 에서와 같이 0.2mx0.24m 크기의 가압판을 종단과 횡단 방향으로 배열하여 각각 수행하였다.(5) Table 3 은 직교배열표에 따라 솔리드웍스의 유한요소 해석을 수행한 후 그 결과값을 나타낸 것이다.
- (5) Table 3 은 직교배열표에 따라 솔리드웍스의 유한요소 해석을 수행한 후 그 결과값을 나타낸 것이다. 가압판에 33.4kN 에서 33.8kN 의 힘까지 총 5 회에 걸쳐 시뮬레이션을 수행하였으며 각각의 최대 처짐량을 획득하였다. 제품 강성 향상을 위한 목적함수인 최대 처짐량은 작을수록 좋은 특성을 나타내므로 다구찌 기법 망소특성인 손실함수를 적용하여 S/N 비를 비교하였다.
- 베이스의 경사면 각도 a 를 가시화하기 위해 전면은 단면도 형태로 표시하였다. 각 파라미터들간의 상호작용은 없는 것으로 간주하여 각 인자의 독립적인 영향만을 평가하였다. 스틸그레이팅의 소재는 일반구조용 압연강재로서 KS D 3503(SS400)을 사용하였다.
- 본 연구에서는 스틸그레이팅의 강성 및 배수성능에 대한 설계 파라미터의 최적 조건을 도출하기 위해 솔리드웍스(SolidWorks)를 이용하여 다구찌 기법을 적용하였다. 다구찌는 잡음에 의한 품질변동으로 발생되는 손실을 최소화하기 위한 방법으로 직교 배열표를 작성할 것을 제안하였고, 직교 배열표를 바탕으로 실험하여 얻은 데이터를 분석하는 방법을 제안한다.
- 배수 측면에서의 성능 평가는 Fig. 4 에서와 같이 스틸그레이팅을 배관에 삽입하고 입구와 출구를 구성하여 유량 시뮬레이션을 수행하였다. Table 5 는 직교배열표에 따라 솔리드웍스의 유한요소해석을 수행한 후 그 결과값을 나타낸 것이다.
- 본 연구에서는 두 가지 측면에서 3 개의 설계 파라미터 d, a, t 의 최적화를 시도하였다. 첫째는 외부 하중에 의한 강성(Rigidity) 측면에서의 최적화이며, 둘째는 외부 유량에 의한 배수 성능 (Drainage) 측면에서의 최적화이다.
- 8kN 의 힘까지 총 5 회에 걸쳐 시뮬레이션을 수행하였으며 각각의 최대 처짐량을 획득하였다. 제품 강성 향상을 위한 목적함수인 최대 처짐량은 작을수록 좋은 특성을 나타내므로 다구찌 기법 망소특성인 손실함수를 적용하여 S/N 비를 비교하였다. 다구찌 최적화 이론에서는 목표치에 대한 평균제곱편차, 즉 MSD(Mean Square Deviation) 값을 통하여 설계 또는 공정목표에 대한 최적화를 수행한다.
- 출구는 대기압으로 하고 입구에 적용되는 수압을 101950 PA 로 두어 시뮬레이션을 수행하였으며 각각의 결과를 획득하였다. 제품 배수성능 향상을 위한 목적함수인 배수 감쇄율은 작을수록 좋은 특성을 나타내므로 다구찌 기법 망소특성인 손실함수를 적용하여 S/N 비를 비교하였다.
- Table 5 는 직교배열표에 따라 솔리드웍스의 유한요소해석을 수행한 후 그 결과값을 나타낸 것이다. 출구는 대기압으로 하고 입구에 적용되는 수압을 101950 PA 로 두어 시뮬레이션을 수행하였으며 각각의 결과를 획득하였다. 제품 배수성능 향상을 위한 목적함수인 배수 감쇄율은 작을수록 좋은 특성을 나타내므로 다구찌 기법 망소특성인 손실함수를 적용하여 S/N 비를 비교하였다.
대상 데이터
- 스틸그레이팅은 크게 베이스(base), 하중지지 바(bar), 커버(cover)로 구성된다. 본 연구에서는 0.5mx0.4mx0.05m 크기의 스틸그레이팅을 대상으로 연구하였으며 그 개요도를 Fig. 1 에 도시하였다. 스틸그레이팅의 최적설계를 위해 고려된 설계 파라미터는 형상 치수인 하중지지 바 사이의 간격 d, 베이스 경사면의 각도 a, 그리고 하중지지 바의 두께 t 로 하였다.
- 각 파라미터들간의 상호작용은 없는 것으로 간주하여 각 인자의 독립적인 영향만을 평가하였다. 스틸그레이팅의 소재는 일반구조용 압연강재로서 KS D 3503(SS400)을 사용하였다.
이론/모형
- 강성적 측면과 배수 성능적 측면을 고려할 때 스틸그레이팅 설계 파라미터의 최적 조건을 탐색하기 위하여 솔리드웍스 프로그램의 Simulation 과 Flow simulation 을 사용하였다.
- 본 연구에서는 스틸그레이팅의 강성 및 배수성능에 대한 설계 파라미터의 최적 조건을 도출하기 위해 솔리드웍스(SolidWorks)를 이용하여 다구찌 기법을 적용하였다. 다구찌는 잡음에 의한 품질변동으로 발생되는 손실을 최소화하기 위한 방법으로 직교 배열표를 작성할 것을 제안하였고, 직교 배열표를 바탕으로 실험하여 얻은 데이터를 분석하는 방법을 제안한다.
성능/효과
- 첫 번째, 강성 측면에서의 성능 평가에 있어 솔리드웍스 시뮬레이션을 수행함에 있어 처짐량에 대한 결과를 상대적으로 증가시켜 평가하기 위해 상부 커버는 사용하지 않았다. 두 번째, 배수 성능 측면에서의 성능 평가에서는 상부 커버를 사용하여 유량해석에 대한 시뮬레이션 결과 민감도를 최대화시켰다.
- 따라서 하중지지 바의 간격 d-55mm (Level 1), 베이스 경사면 각도 a-30° (Level 1), 그리고 하중지지 바의 두께 t-4mm (Level 1)으로 이 조건이 배수 성능 평가로부터 최적의 조건이라 판단된다.
- 베이스 경사면 각도 a 는 강성적 측면에서는 Level 2 가, 배수 성능적 측면에서는 Level 1 이 최적의 조건이므로 두 조건 모두 시뮬레이션 결과를 비교해 볼 필요가 있다. 마지막으로 하중 지지 바의 두께 t 는 배수 성능적 측면에서 볼 때 Level 1 또는 Level 3 의 조건이 최적이라 볼 수 있고, 또한 강성적 측면에서는 Level 3 의 조건이 최적으므로 Level 3 인 6mm 가 최적의 조건이라 할 수 있다.
- 43%로 향상되었다. 위 결과를 종합하여 볼 때, 결국 d1a2t3 인 경우가 강성적, 배수 성능적 측면에서 스틸그레이팅의 최적 설계 파라미터라 결론지을 수 있다.
- )에 대한 각각의 강성 및 배수 성능 시뮬레이션 결과를 비교하고 있다. 파일럿 제품인 d2a2t2 을 기준으로 볼 때, d1a1t3 인 경우에는 처짐량이 31.2%, 배수율이 70.78%로 향상되었고, d1a2t3 인 경우에는처짐량이 54.81%, 배수율이 70.43%로 향상되었다. 위 결과를 종합하여 볼 때, 결국 d1a2t3 인 경우가 강성적, 배수 성능적 측면에서 스틸그레이팅의 최적 설계 파라미터라 결론지을 수 있다.
후속연구
- 추후 하중 지지 바 간격, 베이스 각도, 하중지지 바 두께에 따른 가공 단가, 재료 단가 및 제작 시간을 반영하여 최적 설계 파라미터의 현실적 평가와 보완을 통해 산업 현장에 도움을 줄 수 있는 근거 자료를 제공할 예정이다.
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