[논문]가중치법을 이용한 농작물 지지대 및 결속장치의 최적설계

이만기; 김진호; 신기열

doi:10.14775/ksmpe.2015.14.4.028

문제 정의

3과 같이 빨래집게 형상의 개선된 결속장치 형상을 제안하였다.^[1] 본 연구에서는 제안된 형상을 사용할 때 필요한 최대한의 허용응력을 견디면서 부피를 최소화하기 위한 형상을 최적설계 하는데 그 목적이 있다. 또한, 일손이 적은 농촌에서 지지대를 노인 혼자서 설치할 수 있게 지지대의 바닥 부분에 지지대를 회전시켜 설치할 수 있는 형상을 추가로 설계하고자 한다.
결속장치의 두께를 설정하기 위해 요구되는 설계요구 사항은 다음과 같다. 결속장치가 비바람과 태풍이 일어날 때 농작물을 지지하면서 보호하는 최대의 강도를 갖는 결속장치에 요구되는 결속장치의 두께를 목표로 하였다.
^[1] 본 연구에서는 제안된 형상을 사용할 때 필요한 최대한의 허용응력을 견디면서 부피를 최소화하기 위한 형상을 최적설계 하는데 그 목적이 있다. 또한, 일손이 적은 농촌에서 지지대를 노인 혼자서 설치할 수 있게 지지대의 바닥 부분에 지지대를 회전시켜 설치할 수 있는 형상을 추가로 설계하고자 한다. 이를 위해 태풍과 비바람이 내릴 경우에 농작물이 최대한 쓰러지지 않도록 충분한 지지반력을 갖도록 응력을 잘 견딜 수 있는 형상으로 지지대를 최적화하였다.
본 논문은 농작물을 보호는 지지대와 결속장치의 형상을 최적화하기 위한 연구로 더욱 구체적으로는, 결속장치의 부피를 줄이고 자연현상에 의해 가해지는 응력을 충분히 버티도록 설계하는 것이 목표이다. 또, 일손 부족에 대응하여 편리하고 빠른 지지대의 설치 기능을 제공하기 위한 것 있다.
제품의 형상은 육각기둥 형상이며 사용되는 재료는 아연도금 강판이다. 제품 형상 설계의 목적은 바닥 부분의 형상을 땅에 잘 파고드는 형상으로 설계하여 지지대를 혼자서 설치할 수 있도록 하는데 있다.

제안 방법

가중치법에 따른 7가지 설계문제에 대해 PQRSM을 이용하여 최적설계를 수행하였다. 최적 설계결과 Fig.
본 연구에서는 상용 유한요소해석 프로그램인 ANSYS를 이용하여 농작물지지대 결속장치의 유한요소해석을 수행하였다. 또한 최적설계를 위해 상용 PIDO 툴인 PIAnO²⁾를 이용하여 ANSYS의 해석결과를 최적화하여 최적의 설계조건을 제시하였다.
오프셋 프로파일을 이용하여 결속장치의 부피를 결정하였다. 또한 파라메트릭 스터디를 통해 설계변수의 영향도를 분석하였으며, 수치적 노이즈^[4],^[5] 존재 여부 분석을 통해 본 문제에 적합한 최적화 기법을 선정하였다. 최적설계 시간을 최소화하기 위해 처음부터 가중치, 변형률이 낮은 부분의 변위 차이를 낮게 두어 전체적인 평균개념으로 적용하였으며, 결과로서 부피가 얇은 부분에서 발생하는 응력집중 구역을 선정하여 최적화하는 방식으로 진행하였다.
본 연구에서는 상용 유한요소해석 프로그램인 ANSYS를 이용하여 농작물지지대 결속장치의 유한요소해석을 수행하였다. 또한 최적설계를 위해 상용 PIDO 툴인 PIAnO²⁾를 이용하여 ANSYS의 해석결과를 최적화하여 최적의 설계조건을 제시하였다.
설계변수는 지지대의 바닥 형상에 관련된 설계 인자들로, Table 2과 같이 지상의 지지대 길이(x₈)와 지하의 매몰깊이(x₉), 땅을 뚫고 들어가는 드릴 모양(x₁₀)로 총 3개를 선정하였다. 설계변수의 초기 값은 실제 사용되고 있는 모델의 값이며, 최대범위는 가장 큰 농작물의 크기로 범위를 선정하였고, 하한 값은 가장 작은 고추나무로 선정하여 범위를 선정하였다.
8에 나타내었다. 영향도 분석 결과, 7개 설계변수 모두가 성능지수에 영향을 주는 것으로 판단되어 최적설계에서 설계 변수로 사용하였다. 특히 지지대 고정부(x₄)의 경우 설계변수 값이 작아지는 방향으로 이동할 수록 부피와 비용(f₂)은 감소하고 버틸 수 있는 응력(f₁)에도 영향이 작용하지 않음을 알 수 있었다.
오프셋 프로파일을 이용하여 결속장치의 부피를 결정하였다. 또한 파라메트릭 스터디를 통해 설계변수의 영향도를 분석하였으며, 수치적 노이즈^[4],^[5] 존재 여부 분석을 통해 본 문제에 적합한 최적화 기법을 선정하였다.
또한, 일손이 적은 농촌에서 지지대를 노인 혼자서 설치할 수 있게 지지대의 바닥 부분에 지지대를 회전시켜 설치할 수 있는 형상을 추가로 설계하고자 한다. 이를 위해 태풍과 비바람이 내릴 경우에 농작물이 최대한 쓰러지지 않도록 충분한 지지반력을 갖도록 응력을 잘 견딜 수 있는 형상으로 지지대를 최적화하였다. 이러한 최적화 설계를 위한 방법은 다중 목적함수를 이용한 가중치법²⁾을 사용하였다.
가중치법에 따른 7가지 설계문제에 대해 PQRSM을 이용하여 최적설계를 수행하였다. 최적 설계결과 Fig. 8과 같이 7개의 파레토 최적해를 구할 수 있었으며, 이들을 연결하여 파레토 프론티어를 생성하였다.
또한 파라메트릭 스터디를 통해 설계변수의 영향도를 분석하였으며, 수치적 노이즈^[4],^[5] 존재 여부 분석을 통해 본 문제에 적합한 최적화 기법을 선정하였다. 최적설계 시간을 최소화하기 위해 처음부터 가중치, 변형률이 낮은 부분의 변위 차이를 낮게 두어 전체적인 평균개념으로 적용하였으며, 결과로서 부피가 얇은 부분에서 발생하는 응력집중 구역을 선정하여 최적화하는 방식으로 진행하였다.

대상 데이터

제품의 크기와 두께, 불균일한 온도분포가 제품 품질에 미치는 영향은 미세하나 형상의 두께가 제품의 강도를 향상시키는데 큰 상관관계가 있다. 두번째 설계대상인 농작물지지대 해석모델은 Fig. 5와 같이 120 cm의 길이에 유한요소로 구성된다. 제품의 형상은 육각기둥 형상이며 사용되는 재료는 아연도금 강판이다.
설계대상인 농작물지지대 결속장치 해석모델은 Fig. 4와 같이 160 x 44 (mm)의 크기에 16,300개의 유한요소로 구성된다. 제품의 높이는 16 mm이며 사용되는 재료는 PP(Poly Propylene)이다.
4와 같이 각 부분의 위치와 깊이를 설계 인자로 하였다. 설계변수는 결속장치의 형상에 관련된 설계 인자들로, Table 1과 같이 기둥을 잡는 부분의 두께(x₁)와 기둥을 잡는 부분의 깊이(x₄), 가로로 관통 되어 있는 홈의 길이(x₇)와 홈의 두께(x₂), 결속장치의 농작물지지부의 길이(x₅)과 안쪽의 홈의 길이(x₃), 결속장치의 짧은 쪽 길이(x₆)로 총 7개를 선정하였다. 설계변수의 초기 값은 실제 사용되고 있는 모델의 값이며, 최대범위는 농작물을 지지할 수 있는 범위로 선정되었고, 하한 값은 작고 성장이 느린 식물을 지지하는 범위로 선정하였다.
)로 총 3개를 선정하였다. 설계변수의 초기 값은 실제 사용되고 있는 모델의 값이며, 최대범위는 가장 큰 농작물의 크기로 범위를 선정하였고, 하한 값은 가장 작은 고추나무로 선정하여 범위를 선정하였다.
4와 같이 160 x 44 (mm)의 크기에 16,300개의 유한요소로 구성된다. 제품의 높이는 16 mm이며 사용되는 재료는 PP(Poly Propylene)이다. 제품의 크기와 두께, 불균일한 온도분포가 제품 품질에 미치는 영향은 미세하나 형상의 두께가 제품의 강도를 향상시키는데 큰 상관관계가 있다.
5와 같이 120 cm의 길이에 유한요소로 구성된다. 제품의 형상은 육각기둥 형상이며 사용되는 재료는 아연도금 강판이다. 제품 형상 설계의 목적은 바닥 부분의 형상을 땅에 잘 파고드는 형상으로 설계하여 지지대를 혼자서 설치할 수 있도록 하는데 있다.

이론/모형

이를 위해 태풍과 비바람이 내릴 경우에 농작물이 최대한 쓰러지지 않도록 충분한 지지반력을 갖도록 응력을 잘 견딜 수 있는 형상으로 지지대를 최적화하였다. 이러한 최적화 설계를 위한 방법은 다중 목적함수를 이용한 가중치법²⁾을 사용하였다.
부피가 줄면 재료의 사용량이 줄어들고 재료사용량이 줄어들면 하나의 제품을 생산하는 가격이 줄어들기 때문이다. 정식화는 다중 목적함수를 이용하기 위해 가중치법^[2]을 사용하였다.
최적설계에 앞서 성능지수에 많은 영향을 미치는 설계변수를 선정하고, 설계변수의 변화에 따른 응답의 경향성을 파악하기 위해 파라메트릭 스터디 기법을 이용하였다. 버틸 수 있는 응력(f₁)에 대한 파라메트릭 스터디 결과를 Fig.

성능/효과

가중치법을 이용한 최적설계를 수행하여 파레토 최적해^[6]를 도출한 결과에서 결속장치의 부피가 2.278e-005 m³에서 1.912e-005 m³로 16% 감소함을 알 수 있었다. 이때의 기둥을 잡는 부분의 두께(x₁)는 1 mm, 기둥을 잡는 부분의 깊이(x₄)는 1.
농작물 버팀 지지용 대 및 결속 장치 개발의 최적화 결론은 결속장치의 재료 사용량을 줄이기 위해서 부피를 최소화 하면서 동시에 응력을 가장 많이 버틸 수 있는 다중목적함수 최적화 문제로 정식화 하였다.
019 mm, 결속장치의 농작물지지부의 길이(x₅)는 110 mm, 안쪽의 홈의 길이(x₃)는 25 mm, 결속장치의 짧은 쪽 길이(x₆)는 60 mm로 결정되었다. 이를 통해 다중 목적함수 최적화 문제로 제안한 설계방법의 유효성을 확인하고 최적설계조건을 제시할 수 있었다.
7에 비교하였다. 초기모델에 비해 최적화 모델의 부피가 전체적으로 전부 줄었으며 버틸 수 있는 응력은 가해지는 최대응력보다 크게 나왔다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	본 문에서 농작물지지대 결속장치 해석모델은 어떻게 구성되는가?	설계대상인 농작물지지대 결속장치 해석모델은 Fig. 4와 같이 160 x 44 (mm)의 크기에 16,300개의 유한요소로 구성된다. 제품의 높이는 16 mm이며 사용되는 재료는 PP(Poly Propylene)이다.
	농작물을 지지하는데 특정화된 제품 없이 끈과 철근 등으로 지지하는 지지대의 문제점은 무엇인가?	1은 농작물을 지지하는데 특정화된 제품 없이 끈과 철근 등으로 지지하는 지지대 모습을 보여주고 있다. 간단한 결속장치가 없기 때문에 설치 시 시간은 더 소모되며 3안전성 또한 보장되지 않는 문제점을 가지고 있다.
	오프셋 프로파일의 역할은 무엇인가?	오프셋 프로파일을 이용하여 결속장치의 부피를 결정하였다. 또한 파라메트릭 스터디를 통해 설계변수의 영향도를 분석하였으며, 수치적 노이즈[4],[5] 존재 여부 분석을 통해 본 문제에 적합한 최적화 기법을 선정하였다.

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