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위상 최적 설계를 통한 복합소재 대차프레임용 제동장치 브래킷의 경량화 연구
Lightweight Design of Brake Bracket for Composite Bogie Using Topology Optimization 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.39 no.3, 2015년, pp.283 - 289  

이우근 (과학기술연합대학교대학원 철도시스템공학과) ,  김정석 (한국철도기술연구원 첨단소재연구팀)

초록
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본 연구에서는 위상 최적 설계 기법을 활용하여 복합소재 대차프레임의 제동장치 브래킷 경량 설계를 수행하였다. 제동장치 브래킷은 12t 와 9t 로 각각 두 가지 모델을 대상으로 하였다. 위상최적화시 설계영역은 단면적이 가장 넓은 수직면과 수평면으로 설정하였다. 제한조건은 제동장치 브래킷의 Z 축의 변위 값을 초기 변위 값보다 2.5% 증가이고, 목적함수는 제동장치 브래킷의 질량 최소화로 하였다. 또한 최적화 계산 시간을 줄이기 위해 대차프레임을 생략하고 대차프레임 대신 1D beam 요소를 적용하여 Z 축 변위를 기준으로 전체모델과 동일하게 등가시켜 두 모델간의 상관성을 확보 하였다. 그 결과 12t 모델은 60kg, 9t 모델은 31kg 감소하였고, 최적화 모델유한요소해석을 통하여 안전성을 검증하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this study, the lightweight design of a brake bracket for a composite bogie was studied by considering two brake bracket models with thicknesses of 12t and 9t, respectively. For achieving this goal, finite element analysis and topology optimization were conducted. Firstly, the largest cross-secti...

주제어

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문제 정의

  • 따라서, 본 논문에서는 위상최적설계를 이용하여 제동장치 브래킷의 경량화 모델을 설계하고 검증 하였다. 일반적으로 대차의 두께는 하중의 지지 정도에 따라서 12t 와 9t 로 구성되어 있기 때문에 실제 대차에 적용되고 있는 최대두께와 최소두께를 고려하여 두께 12t 모델과 전체 두께를 9t 로 감소시킨 모델을 대상으로 하였다.
  • 본 연구는 유한요소해석 기반 위상최적화 기법을 철도차량 주요부품인 대차 경량 설계에 적용하고자 한다. 유한요소해석은 상용 소프트 프로그램인 Altair 사 HyperWorks 의 Radioss 모듈을 사용하였고 위상최적화는 동일한 프로그램의 Optistruct 모듈을 사용하여 구현하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
위상최적화의 장점은? 최근 들어 이러한 성능들의 향상을 위하여 CAE 기반의 구조최적화 기법을 적용하는 사례를 자동차 등의 수송기계산업에서 많이 찾아볼 수 있다. 그 중 위상최적화의 적용은 기존 모델과는 다른 레이아웃의 결과물을 얻을 수 있다는 장점이 있어서 1990년대 중반부터 부품 경량 설계에 도입이 시도되었고 최근에도 그 쓰임새가 활발하다.(1,2) 자동차 부품 설계에 구조최적화 기술의 적용이 활발한데 비하여 철도차량 분야에 적용한 사례는 아직까지 많지는 않다.
복합소재 대차의 무게의 비중은 어떠한가? (4) 복합소재 대차에는 제동장치 브래킷을 비롯한 에어스프링 브래킷, 축상체결부 브래킷과 같은 스틸 브래킷들이 볼트결합 되어 있다. 복합소재 대차의 무게 총 806kg 중 스틸 브래킷이 차지하는 무게는 절반 이상인 454kg 이고 이중 제동장치 브래킷의 무게는 358kg 으로 가장 큰 비중을 차지하고 있다(Fig. 1).
위상 최적설계는 무엇인가? 위상 최적설계(Topology optimization)는 1960 년대 Rozvany 와 Prager 에 의해 레이아웃(layout) 최적설계라는 이름으로 시작되었다. 이 개념은 유한 요소의 모든 절점을 연결하는 트러스 구조물을 만든 후 각각의 트러스 요소에 대한 단면계수를 조정하는 것이었다. 이후 1988 년 Bends e 와 Kikuchi가 연속체 구조물에 적용할 수 있는 이론을 발표 하면서 주목을 받기 시작했다.
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참고문헌 (16)

  1. Yang, R. J. and Chahande, A. I. 1995, "Automotive Applications of Topology Optimization," Structural Optimization, Vol. 9, pp. 245-249. 

  2. Fukushima, J., Suzuki K. and Kikuchi, N., 1992 "Shape and Topology Optimization of a Car Body with Multiple Loading Condition," SAE paper, No. 920777. 

  3. Hong, S. K. and Hong, J. K. and Kim, T. H., 2012, "Lightweight Design of a Vertical Articulated Robot Using Topology Optimization," 2012, Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A, Vol. 36, No. 12, pp. 1683-1688. 

  4. HyperWorks 10 manual, 2010, Radioss for Linnear Analysis Training Manual and Optistruct Optimization Training, Altair Engineering 

  5. Lee, W. G., Kim, J. S., Yoon, H. J., Shin, K. B. and Seo, S. I., 2013, "Structural Behavior Evaluation of Tjoints of the Composite Bogie Frame Under Bending," International Journal of Precision Engineering and Manufacturing, Vol. 14, No. 1, pp. 129-135. 

  6. Kim, J. S., Lee, W. G. and Kim, I. K., 2013, "Manufacturing and Testing of a GFRP Composite Bogie Frame with Straight Side Beam Members," Journal of Mechanical Science and Technology, Vol. 27, No. 9, pp. 2761-2767. 

  7. Kim, J. S., Shin, K. B., Yoon, H. J. and Lee, W. G., 2012, "Durability Evaluation of a Composite Bogie Frame with Bow-Shaped Side Beams," Journal of Mechanical Science and Technology, Vol. 26, No. 2, pp. 531-536. 

  8. Bendson M. P., and Kikuchi N., 1988, "Generating Optimal Topologies in Structural Design Using a Homogenization Method," Computational Methods in Applied Mechanics and Engineering, Vol. 71, pp. 197-224. 

  9. Chiandussi, G., Gaviglio, I. and Ibba, A., 2004, "Topology Optimization of an Automotive Component Without Final Volume Constraint Specification," Advances in Engineering Software, Vol. 35, pp. 609-617. 

  10. Fredricsion, H., 2005, "Topology Optimization of Frame Structures - Joint Penalty and Material Selection," Structural and Multidisciplinary Optimization, Vol. 30, No 3, pp. 193-200. 

  11. Jang, G. W., Yoon, M. S. and Park, J. H., "Lightweight Flatbed Trailer Design by Using Topology and Thickness Optimization," Structural and Multidisciplinary Optimization, Vol. 41, No. 2, pp. 295-307. 

  12. Mlejnek, H. P., and Schirrmacher, R., 1993, "An Engineering Approach to Optimal Material Distribution and Shape Finding," Computational Methods in Applied Mechanics and Engineering, Vol. 106, pp. 1-26. 

  13. Wang, S. M., and Moon, H. K. and Kim, Y. S., 2000, "Application of Topology Optimization," Journal of KSME, Vol. 40, No. 3, pp. 34-36. 

  14. Park, J. W., Kang, D. S., Tak, S. M., Kim, J. K., Song, K. S., Lee, S. S. and Park, J. W., 2010, "Topology Optimization of a Transmission Case,"Journal of the Korean Society for Precision Engineering, Vol. 27, No. 2, pp. 57-62. 

  15. Japanese Industrial Standard (JIS) E 7105, 1994, "Test Methods for Static Load of Body Structures of Railway Rolling Stock." 

  16. UIC Code 615-4, 1994, "Motive Power Units Bogies and Running Gear Bogie Frame Structure Strength Tests." 

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