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문제 정의
- 그러나 이러한 장점을 극대화 하여 경쟁력 있는 프레임을 개발하기 위해서는 여러 개의 부재들이 최적의 기하학적 위치와 물리적 물성치를 만족 할 수 있는 방안이 강구되어야만 하는데 즉 차량의 가속성능을 고려하여 무게대비 비틀림 강성비인 S/W ratio (Stiffness-to-weight ratio)의 최적화가 이루어져야 한다. 따라서 본 연구에서는 유한요소법과 실험계획법을 활용하여 S/W ratio를 극대화 하고자 한다.
- 본 연구에 적용된 Tubular space frame의 복잡한 부재들을 4인자 3수준으로 실험설계에 적용을 할 경우 기존의 완전요인실험배치법(Full factorial design)으로는 전체 실험 조합수가 34개로 81번의 구조해석을 수행해야 하지만 L9(34)직교배열표를 사용하면 총 9번의 구조해석실험으로 실험 횟수를 대폭적으로 줄일 수가 있는 이점이 있어 개발 비용과 납기에 매우 유리하다고 할 수 가 있다. 따라서 본 연구에서는 직교배열법을 이용하여 기존의 설계자가 초기 설계한 레이스 차량의 프레임을 기준으로 각 부재들을 각각의 수준에 따라 나누고 민감도를 분석하여 비틀림강성을 최적화 하고자 한다. 최적화를 위한 실험 계획법을 적용하기 위하여 설계여건과 제조여건을 고려하여 프레임 설계의 인자와 수준을 Table 2와 같이 선정하여 다구찌 직교배열표를 구성하였고 Fig.
- 본 실험에서 사용된 인자들과 그 수준에 따라프레임의 특성치인 S/W ratio에 대한 인자들의 최적조합을 구하고자 하였다. 본 실험에서는 다구찌 직교배열법의 신호대 잡음비인 S/N비를 이용하여 각각의 설계인자의 특성치인 S/W ratio 값에 미치는 영향을 분석하였는데, 이차식으로 주어지는 품질손실함수로부터 구해진 값인 이 S/N비는 성능의 평균과 산포를 동시에 고려하는 척도이므로 본 연구에서는 프레임의 중량대비 비틀림강성이 클수록 좋은 망대특성(larger-the-better type)을 사용하였다.
- 본 연구에서는 유한요소법을 이용하여 프레임의 비틀림 강성을 해석하였다. 유한요소 모델링에서 프레임을 구성하는 각각의 파이프 부재들은 Beam요소(Beam 181: 3D-2Node Structural beam element)로 차량 좌우 하면의 Plate는 Shell 요소(Shell 181:Structural shell element)로 모델링 하였다.
- 본 연구에서는 저가 입문용 1인승 레이스카(Single seat formula race car)의 Tubular space frame의 비틀림 강성을 확보하기 위하여 실험계획법 중의 하나인 직교배열법과 유한요소법을 이용하여 최적화를 수행 한 후 다음과 같은 결론을 얻을 수가 있었다.
- 본 연구에서는 저가 입문용 레이스 차량에 주로 사용되는 Tubular space frame의 비틀림 강성을 최적화 하기 위하여 실험계획법을 사용하고자 한다. Tubular space frame과 같이 여러 개의 부재가 입체적인 형태로 결합된 프레임을 수학모델을 이용하여 최적화를 할 경우에는 복잡은 구조로 인해 수학적인 모델을 구축하는 것이 시간과 비용 측면에서 매우 불리 할 뿐만이 아니라 설계자의 전문성이 많이 요구 된다.
- 이에 본 연구에서는 저가 입문용 포뮬러 레이스(Formula race car)차량의 Tubular space frame을 개발하기 위해 양산 차량 등에 보편적으로 활용이 되고 있는 유한요소법을 활용하여 레이스 차량의Tubular space frame을 최적화하기 위하여 다구찌 직교배열표(Taguchi's orthogonal array)를 이용한 실험계획법을 통해 차량의 코너링성능에 영향을 미치는 프레임(Frame)의 비틀림강성(Torsional Stiffness)을 최적화 하고자 한다.
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