선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 이 부품은 초기에 강재로 설계되었으나 경량화를 위해 알루미늄으로 변경하고자 한다. 본 연구에서는 각 재질에 대한 구조적인 특성인 좌굴강도를 검토하고 이를 고려한 최적화를 수행 하였다. 강재로 된 아우터 타이로드의 초기모델은 1079.
- 본 연구에서는 알루미늄 소재를 적용하여 구조해석 및 최적화를 진행하였다. 초기 모델에서 구조에 대한 제한 조건과 성능에 대한 제한 조건을 만족하는 동시에 중량을 감소시키는 설계를 제시하였다.
- 다른 부품에 비해 상대적으로 중량이 작지만 최근 부품 경량화 추세와 더불어 아우터 타이로드도 경량화 대상이 되고 있다. 이 부품은 초기에 강재로 설계되었으나 경량화를 위해 알루미늄으로 변경하고자 한다. 본 연구에서는 각 재질에 대한 구조적인 특성인 좌굴강도를 검토하고 이를 고려한 최적화를 수행 하였다.
제안 방법
- 1. 본 연구에서는 초기 모델 S45C로 만들어진 아우터 타이로드를 AL6082로 변경하여 경량화하였다. 초기 모델보다 64.
- 2. OTR 단면 형상에 대한 설계변수를 설정하여 반응 표면법과 크리깅기법으로 최적화를 수행하였다. 예측값 산출 과정에서 반응표면법은 곡선 맞춤 (Curve Fitting)이며 크리깅기법은 내삽법 (Inter-polation)으로 접근한다.
- 적용한 최적화 기법은 반응표면법(Response Surface Methodology)와 크리깅기법(Kriging Interpolation Method)을 적용하였다. 각각 OTR 단면형상에 대한 설계변수를 지정하고 좌굴 하중만을 제한조건으로 설정하였으며 중량 최소화를 위한 최적화를 진행하였다. 아우터 타이로드의 좌굴 강도 해석을 위하여 ‘ABAQUS V6.
- 강으로 된 초기모델에서 재질을 AL6082롤 변경시켜 좌굴해석을 수행하였다. Fig.
- 크리깅은 실험점을 정확히 통과 할 수 있는 대표적인 근사모델이며, 현재 많은 분야에서 응용되어 최적화를 수행하는데 적용되고 있다. 따라서, 본 연구에서는 반응표면법과 크리깅을 이용 하여 신뢰성을 비교 평가하였다.[6]
- 반응표면모델의 신뢰도를 측정하는 방법으로 결정계수 R2 와 수정결정계수 이을 계산하였다.
- 본 연구에서 자동차 조향장치 중 하나인 아우터 타이로드에 대하여 좌굴하중 기준을 적용하여 반응표면법과 크리깅기법으로 형상 최적설계를 수행하였으며, 신뢰성 확보에 더 용이한 최적화 기법을 제시하였다. 이에 따라 경량화 된 모델을 제안할 수 있었고, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 8은 메타모델 기반 최적화기법을 이용하여 최적해를 구하는 순서도이다. 본 연구에서 표본점을 생성 하는 방법으로 균등 분할을 하여 25개의 설계점을 추출하였다.
- 본 연구에서는 아우터 타이로드의 경량화를 위해 재질을 변경하고 최적화 설계 기법을 적용하였다. 초기설계에서 강으로 된 재질을 알루미늄 AL6082로 변경하였다.
- 따라서 유한요소해석을 통해 강도 및 강성을 검토해야 한다. 본 연구에서는 재질의 변경 뿐만 아니라 경량화를 위해 형상최적설계도 적용하였다. 인너 타이로드의 형상은 고정시키고 아우터 타이로드의 단면형상을 정의하는 형상설계변수를 설정하였다.
- 본 연구에서는 최적화기법을 적용하기 전에 설계변수에 대한 민감도를 계산하였다. 설계변수는 Fig.
- 64 kN이상이다. 본 연구에서는 허용좌굴하중을 안전율 2를 고려하여 35.28kN으로 설정하였다. 좌굴해석 결과, Fig.
- 이 움푹 파인 부분은 일정하게 하였다. 아우터 타이로드 단면의 형상을 타원으로 하여 반장경과 반단경을 설계변수로 설정하였다.
- 본 연구에서는 재질의 변경 뿐만 아니라 경량화를 위해 형상최적설계도 적용하였다. 인너 타이로드의 형상은 고정시키고 아우터 타이로드의 단면형상을 정의하는 형상설계변수를 설정하였다. Fig.
- 본 연구에서는 알루미늄 소재를 적용하여 구조해석 및 최적화를 진행하였다. 초기 모델에서 구조에 대한 제한 조건과 성능에 대한 제한 조건을 만족하는 동시에 중량을 감소시키는 설계를 제시하였다. 적용한 최적화 기법은 반응표면법(Response Surface Methodology)와 크리깅기법(Kriging Interpolation Method)을 적용하였다.
대상 데이터
- 강재(S45C)로 된 아우터 타이로드의 CAD 모델을 유한요소해석을 위하여 Fig. 1과 같이 단순화시켰다. 아우터 타이로드의 좌굴해석을 위해서는 인너 타이로드 (Inner Tie Rod)도 동시에 모델링되어야 한다.
- 본 연구에서는 아우터 타이로드의 경량화를 위해 재질을 변경하고 최적화 설계 기법을 적용하였다. 초기설계에서 강으로 된 재질을 알루미늄 AL6082로 변경하였다. 알루미늄은 강에 비해 비중이 1/3정도이지만 탄성계수 등이 강에 비해 낮다.
이론/모형
- 여기서 아우터 타이로드와 인너 타이로드의 결함부에 장착되는 볼트와 너트 등은 생략하였다. 본 연구에서는 유한요소 모델링을 위하여 Hypermesh를, 좌굴해석을 위하여 Abaqus를 이용하였다. 단순화된 아우터 타이로드의 유한요소모델에서 계산되는 중량은 약 1079.
- 대신에 식 (7), (8)을 대입하여 최적화를 수행하였다. 이 최적화를 위해 GRG(Generalized Reduced Gradient) 알고리듬이 이용되었다. 그 결과 예측값 V=11.
- 1에서 최적화 과정 중에서 아우터 타이로드의 움푹 파인 부분과 형상이 변하는 부분과의 접촉 부분에서 요소가 파괴되어 최적화가 중단이 될 수 있다. 이것을 방지하기 위해 본 연구에서는 메타모델 기반 최적화기법을 적용하였다.
- 초기 모델에서 구조에 대한 제한 조건과 성능에 대한 제한 조건을 만족하는 동시에 중량을 감소시키는 설계를 제시하였다. 적용한 최적화 기법은 반응표면법(Response Surface Methodology)와 크리깅기법(Kriging Interpolation Method)을 적용하였다. 각각 OTR 단면형상에 대한 설계변수를 지정하고 좌굴 하중만을 제한조건으로 설정하였으며 중량 최소화를 위한 최적화를 진행하였다.
- 크리깅모델을 구성하기 위한 파라미터 β와 θi(i=1,2)를 구하기 위해 과학 기술 계산용의 프로그래밍 언어 중 하나인 FORTRAN을 사용하였다.
- 크리깅은 즉 식 (3)에서 W와 F B 을 반응표면법과 크리깅 모델로 구성한 후에 GRG(Generalized Reduced Gradient Method)를 이용하여 식 (3)의 최적해를 산출하였다. Fig.
성능/효과
- 이 최적화를 위해 GRG(Generalized Reduced Gradient) 알고리듬이 이용되었다. 그 결과 예측값 V=11.37[mm], H=10.35[mm], FB =35.28[kN], W=335.93[g]이 산출되었다. 산출된 최적해를 유한요소 모델에 대입하여 좌굴해석을 수행한 결과 FB=35.
- Table 5의 크리깅 모델을 가지고 식 (3)의 최적화문제를 GRG 알고리듬으로 해결하였다. 그 결과 최적의 설계 변수는 V=11.28[mm], H=10.43[mm]로 산출되었다. 그리고 예측된 최적해에서의 좌굴하중 FB=35.
- 예측값 산출 과정에서 반응표면법은 곡선 맞춤 (Curve Fitting)이며 크리깅기법은 내삽법 (Inter-polation)으로 접근한다. 본 연구에서 반응표면법과 크리깅기법의 예측값과 해석값을 비교한 결과 이론적으로 반응표면법이 근소한 차이로 신뢰성확보에 더 용이한 것을 알 수 있었다.
- 표본점 개수가 크면 클수록 메타모델은 정확하게 되지만 그 만큼 해석시간이 많이 소요되는 단점이 있다. 본 연구에서는 설계변수가 2개이고 또한 선행연구의 경험으로부터 중량 및 좌굴하중은 25개면 충분하다고 판단되었다. 함수 f대 신에 FB과 W로 대치하면 각각에 대한 반응표면모델을 구성할 수 있다.
- 93[g]이 산출되었다. 산출된 최적해를 유한요소 모델에 대입하여 좌굴해석을 수행한 결과 FB=35.34[kN], W=337.04[g]이 산출되었다. 좌굴하중에 대한 예측치와 유한요소해석 결과의 작은 오차는 좌굴강도에 대한 R2와의 신뢰도가 크므로 예견되었었다.
- 이 결과를 Table 3에 표시하였다. 이 결과를 보면 좌굴하중과 중량은 정확히 근사되고 있다는 것을 알 수 있으며 반응표면 모델에 대해 신뢰도가 높음을 알 수 있다.
- 28kN으로 설정하였다. 좌굴해석 결과, Fig. 3과 같이 아우터 타이로드와 연결부 위를 약간 벗어난 인너 타이로드에서 좌굴이 발생함을 알 수 있었다. 이때 좌굴하중은 77.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.