[논문]위상최적설계를 통한 트레일러 제5차륜 연결구조물의 경량화 및 내구성

김철; 이승윤; 이영춘

doi:10.7467/ksae.2016.24.2.137

위상최적설계를 통한 트레일러 제5차륜 연결구조물의 경량화 및 내구성
New Weight-reduction Design of the Fifth Wheel Coupler with a Trailer by Using Topology Optimization and Durability Tests 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.24 no.2, 2016년, pp.137 - 143

김철 (경북대학교 기계공학부) , 이승윤 (경북대학교 기계공학부) , 이영춘 (화신 기술연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

The fifth wheel coupler is a heavy automotive coupling structure which connects a tractor and a trailer used for heavy-duty trucks widely. It is subjected to various loads simultaneously such as rolling, pitching and yawing loads as well as coupling frictional and impact loadings. Most of existing couplers have been overdesigned and, therefore, it is necessary to reduce the dead weight to increase the fuel efficiency. The topology optimization was applied in order to find conceptual layout designs which could show major load paths and ribs locations, and then the size structural optimization was performed in order to determine the heights and thicknesses of coupler ribs with the predetermined various loading conditions for the development of a new slim coupler with a minimum weight and high enough strength and stiffness. As the results of the topology optimum design, an efficient new coupling structure for truck trailers was designed. The weight of the new fifth wheel coupler was reduced by 4.9 %, compared with the existing one, even though all strength requirements were satisfied. The fatigue test of the new coupler was performed with cyclic vertical loads (+78.4 to +235.2 kN) and horizontal loads (-91.2 to +91.2 kN) simultaneously at 1 Hz and the life of 2,000,000 cycles were achieved without failure.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

최적 설계된 연결구조를 실물 크기로 제작하여 수직 및 수평하중을 반복적으로 2 × 10⁶ 사이클 가하는 피로내구성 시험을 수행한 결과 파손의 흔적이 발견되지 않았다. 본 시험을 통해서 위상최적화의 효과와 구조물의 내구성을 확인하였다.
본 연구에서는 트럭과 트레일러 체결 시 경계면에서 발생하는 마찰력의 적용 유무, 응력 분포에 따른 위상최적화 결과에 미치는 영향에 대한 해석을 체계적으로 진행하였다. 또한 트럭 주행 시 발생하는 롤(roll), 피치(pitch), 요(yaw) 운동으로 인한 하중의 방향과 크기를 계산하여 제5차륜 연결구조물에 작용시켰다.

제안 방법

Fig. 3과 같이 제5차륜 연결구조 하부에 있는 차체와의 볼트체결위치와 중앙의 킹핀(king pin)이 안착되는 공간만이 고려된 최적설계 초기설계영역(3차원 벌크 형태)을 정하고, 4면체와 6면체 유한요소를 사용하여 모델링하였다.
12 수직방향)으로 동시에 가진 하였으며, 각각의 축 방향으로 각각 2개의 센서를 부착하여 각 사이클에 대한 변위도 측정하였다. 내구성 시험의 사이클 종료 후 시험에 사용된 최적설계 연결 구조와 기존 제품을 분해하여 파손 및 결함 여부를 확인하였다. Fig.
본 연구에서는 트럭과 트레일러 체결 시 경계면에서 발생하는 마찰력의 적용 유무, 응력 분포에 따른 위상최적화 결과에 미치는 영향에 대한 해석을 체계적으로 진행하였다. 또한 트럭 주행 시 발생하는 롤(roll), 피치(pitch), 요(yaw) 운동으로 인한 하중의 방향과 크기를 계산하여 제5차륜 연결구조물에 작용시켰다. 이를 바탕으로 요구 성능을 만족하며 기존형상과는 다른 형태의 보강구조(stiffener)를 갖는 신 모델을 위상최적화기법으로 개발하였고, 기존 형상과 비교하여 개선된 정도를 입증하였으며 그 내구강도를 시험하였다.
11과 같은 실제 구조물을 제작하여 피로내구성 시험을 수행하였다. 또한, 비교를 위해서 기존 구조물에 대해서도 동일한 조건하에 피로내구성 시험을 수행하였다. 시험장비로는 Fig.
수행된 해석에 대한 신뢰도를 검증하고, 피로내구성을 확인하기 위하여 최적 설계된 신 모델에 대해서 Fig. 11과 같은 실제 구조물을 제작하여 피로내구성 시험을 수행하였다. 또한, 비교를 위해서 기존 구조물에 대해서도 동일한 조건하에 피로내구성 시험을 수행하였다.
시험조건은 Table 3에 명시된 범위 내의 하중을 2×106 사이클 동안 x축 방향(Fig. 12 수평방향)과 z축 방향(Fig. 12 수직방향)으로 동시에 가진 하였으며, 각각의 축 방향으로 각각 2개의 센서를 부착하여 각 사이클에 대한 변위도 측정하였다.
트레일러의 제5차륜 연결구조물에 대하여 유한 요소법 기반 위상최적화를 수행하여 효율적인 하중경로를 계산하고, 보강구조(rib)의 배치를 최적화하여 경량화 하였다. 위상최적설계를 위한 하중으로 기존의 운행, 정지, 출발시의 하중 외에도 체결시의 마찰력과 충격하중을 새롭게 계산하여 적용하였다. 위상최적설계 결과를 이용하여 설계된 구조물에 대한 응력해석 결과 최대응력이 기존 제품 구조 대비 47.
위상최적설계를 통해서 하중경로에 대한 보강구조의 위치를 구하였다. 이후 최종 설계 형상을 확정하기 위해서 Optistruct 해석을 통한 치수최적설계를 계속 수행하여 Fig.
또한 트럭 주행 시 발생하는 롤(roll), 피치(pitch), 요(yaw) 운동으로 인한 하중의 방향과 크기를 계산하여 제5차륜 연결구조물에 작용시켰다. 이를 바탕으로 요구 성능을 만족하며 기존형상과는 다른 형태의 보강구조(stiffener)를 갖는 신 모델을 위상최적화기법으로 개발하였고, 기존 형상과 비교하여 개선된 정도를 입증하였으며 그 내구강도를 시험하였다.
위상최적설계를 통해서 하중경로에 대한 보강구조의 위치를 구하였다. 이후 최종 설계 형상을 확정하기 위해서 Optistruct 해석을 통한 치수최적설계를 계속 수행하여 Fig. 9와 같은 형상을 개발하였다. 특히, 응력집중이 우려되는 Fig.
5(b)에는 킹핀이 체결시 구조물의 경사진 가이드라인에 충돌하면서 발생하는 충격량을 계산하기 위한 속도의 성분을 표시하였다. 킹핀의 초기속도 v₀와 충돌 후 가이드라인의 수직방향 성분 v₂를 운동량-충격량 방정식에 대입하여 충격하중(F_ki)을 계산하였다. 킹핀에 실리는 질량은 m이다.
트럭(트랙터+트레일러)의 체결 및 운행 조건을 고려하여 제5차륜 연결구조에 가해지는 하중을 설정하였다. 운행 및 체결조건에 따른 하중은 Fig.
트레일러의 제5차륜 연결구조물에 대하여 유한 요소법 기반 위상최적화를 수행하여 효율적인 하중경로를 계산하고, 보강구조(rib)의 배치를 최적화하여 경량화 하였다. 위상최적설계를 위한 하중으로 기존의 운행, 정지, 출발시의 하중 외에도 체결시의 마찰력과 충격하중을 새롭게 계산하여 적용하였다.

대상 데이터

또한, 비교를 위해서 기존 구조물에 대해서도 동일한 조건하에 피로내구성 시험을 수행하였다. 시험장비로는 Fig. 12와 같은 MTS 224 유압작동기(hydraulic actuator)를 사용하였다.

이론/모형

3과 같이 내부가 재료로 꽉 찬 3차원 구조 덩어리를 초기 설계영역으로 하여 위상최적설계를 수행하여 하중경로(load path)에 배치될 적절한 보강 구조를 찾으려한다. 유한요소해석 기반 위상최적화를 위하여 optistruct를 사용하였다. Fig.

성능/효과

위상최적설계를 위한 하중으로 기존의 운행, 정지, 출발시의 하중 외에도 체결시의 마찰력과 충격하중을 새롭게 계산하여 적용하였다. 위상최적설계 결과를 이용하여 설계된 구조물에 대한 응력해석 결과 최대응력이 기존 제품 구조 대비 47.5 % 감소했으며, 중량 또한 4.9 % 줄었다. 최적 설계된 연결구조를 실물 크기로 제작하여 수직 및 수평하중을 반복적으로 2 × 10⁶ 사이클 가하는 피로내구성 시험을 수행한 결과 파손의 흔적이 발견되지 않았다.
13에서 알 수 있듯이 두 구조물 모두 육안 상으로 파악할 수 있는 파손의 흔적은 관찰되지 않았다. 이러한 피로내구성 시험의 결과로서, 최적설계기법으로 설계 제작된 구조물은 중량은 감소했으나 피로 내구성은 기존의 구조물과 차이가 없음을 알 수있다.
10(a)에서 최적화에 따른 보강 립(rib)의 최적 배열과 형상으로 응력이 골고루 분산된 모습을 확인할 수 있다. 중량은 기존 구조의 98.3 kg에서 최적화 모델은 93.5 kg으로, 4.9 % 줄어서 동시에 상당한 중량 및 응력절감 효과를 얻었다.
9 % 줄었다. 최적 설계된 연결구조를 실물 크기로 제작하여 수직 및 수평하중을 반복적으로 2 × 10⁶ 사이클 가하는 피로내구성 시험을 수행한 결과 파손의 흔적이 발견되지 않았다. 본 시험을 통해서 위상최적화의 효과와 구조물의 내구성을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	본 연구에서 캐리지의 위상최적화를 수행하기 위해서 이용한 방법은 무엇인가?	16 %의 경량화를 달성하였다. 황영진 등2)은 수송기계부품인 캐리지를 균질화법을 이용하여 위상최적화를 수행하여 약27 % 경량화된 모델을 설계하였다. 또한 김영철 등3)은 위상, 형상최적설계를 수행하여 크레인을 경량화 하였다.
	후방 서브프레임의 경량화를 위해서 어떤 해석이 수행되었는가?	또한 김영철 등3)은 위상, 형상최적설계를 수행하여 크레인을 경량화 하였다. 김기주 등4)은 후방 서브프레임의 경량화를 위해서 AA6061 알루미늄합금 재로 대체하여 FEM 응력해석을하였다. 박준협 등5)은경량화를 위하여 현가장치의 강재 스프링 링크를 알루미늄합금 소재로 재설계하기 위한 Ansys FEM 강도해석을 수행했고, 상세 하중해석에 기초한 설계방법을 제시하였다.
	본 연구에서 신 모델을 위상최적화기법으로 개발하기 위해 바탕이 된 것은 무엇인가?	본 연구에서는 트럭과 트레일러 체결 시 경계면에서 발생하는 마찰력의 적용 유무, 응력 분포에 따른 위상최적화 결과에 미치는 영향에 대한 해석을 체계적으로 진행하였다. 또한 트럭 주행 시 발생하는 롤(roll), 피치(pitch), 요(yaw) 운동으로 인한 하중의 방향과 크기를 계산하여 제5차륜 연결구조물에 작용시켰다. 이를 바탕으로 요구 성능을 만족하며 기존형상과는 다른 형태의 보강구조(stiffener)를 갖는 신 모델을 위상최적화기법으로 개발하였고, 기존 형상과 비교하여 개선된 정도를 입증하였으며 그 내구강도를 시험하였다.

참고문헌 (5)

S. I. Song, K. J. Bae, K. H. Lee and G. J. Park, "Lightweight Design for Automotive Door Using Optimizations and Design of Experiments," Transactions of KSAE, Vol.10, No.1, pp.125- 132, 2002.
Y. J. Hwang, S. K. Kang, J. B. Kim, S. S. Lee, C. G. Choi and J. H. Son, "Topology Optimal Design for Lightweight Shape of the Vehicle Mechanical Component," Journal of the Korean Society of Precision Engineering, Vol.20, No.7, pp.177-184, 2003.
Y. C. Kim, J. K. Hong and G. W. Jang, "Lightweight Crane Design by using Topology and Shape Optimization," Transactions of KSME-A, Vol.35, No.7, pp.821-826, 2011.

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K. J. Kim, J. H. Lim, J. H. Park, B. I. Choi, J. W. Lee and Y. J. Kim, "Light-weight Design of Automotive AA6061 Rear Sub-frame based on CAE Simulation," Transactions of KSAE, Vol.20, No.3, pp.77-82, 2012.
J. H. Park, K. J. Kim and J. G. Yoon "Lightweight Design of Automotive Spring Link Based on Computer Aided Engineering," Transactions of KSAE, Vol.21, No.5, pp.157-161, 2013.

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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