[논문]정상부에 돌출구조물을 구비한 안전모의 지지하중 및 응력에 관한 유한요소해석

김청균

doi:10.7842/kigas.2016.20.2.43

정상부에 돌출구조물을 구비한 안전모의 지지하중 및 응력에 관한 유한요소해석
Finite Element Analysis on the Bearing Loads and Stress of Safety Helmets with an Extruded Structure 원문보기

한국가스학회지 = Journal of the Korean institute of gas, v.20 no.2, 2016년, pp.43 - 48

초록
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본 논문에서는 돌출구조물을 장착한 안전모의 지지하중과 응력분포에 대한 유한요소 해석결과를 제시하고 있다. 9.4mm의 동일한 변위하중을 안전모에 가한 5가지의 서로 다른 해석모델에 대하여 지지하중과 von Mises 최대응력을 해석하였다. 이들 모델에서, 모델 4와 모델 5는 주어진 9.4mm의 변위하중에 대하여 최고의 지지하중과 낮은 최대응력을 보여준다는 측면에서 우수한 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents the finite element analysis results for bearing loads and stress distributions of safety helmets with an extruded structure. Five different analysis models with given same displacement load of 9.4mm have been analyzed for bearing loads and maximum von Mises stress. In these model...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 안전모의 강도안전에 관련된 지지 하중과 응력거동 특성을 FEM으로 해석하고자 한다. 독특하게 정상부에 돌출구조물을 일체형으로 설치한 안전모에 균일한 변위하중을 서로 다른 위치에 가할 때 발생하는 거동특성을 FEM으로 해석하였다.

제안 방법

FEM 해석에서 안전모의 두께는 직경에 비해 대단히 작기 때문에 6면체요소(hexahedral element)를사용하였고, X축과 Z축에는 대칭적인 구속조건을 적용하였다. 또한, 안전모를 바닥면에 놓았을 때의 경계조건은 Y=0을 적용하여 X-Z축의 거동특성을 고찰하였다.
Fig. 1에서는 정상부에 돌출구조물을 구비한 안전모의 상대적인 안전성을 비교하기 위해 정상부에 가하는 변위하중의 위치를 달리한 5가지의 해석모델에 대해 비교연구를 수행하였다
본 연구에서는 안전모의 강도안전에 관련된 지지 하중과 응력거동 특성을 FEM으로 해석하고자 한다. 독특하게 정상부에 돌출구조물을 일체형으로 설치한 안전모에 균일한 변위하중을 서로 다른 위치에 가할 때 발생하는 거동특성을 FEM으로 해석하였다.
FEM 해석에서 안전모의 두께는 직경에 비해 대단히 작기 때문에 6면체요소(hexahedral element)를사용하였고, X축과 Z축에는 대칭적인 구속조건을 적용하였다. 또한, 안전모를 바닥면에 놓았을 때의 경계조건은 Y=0을 적용하여 X-Z축의 거동특성을 고찰하였다.
정상부에 돌출구조물을 갖춘 안전모에 수직 하방향의 변위하중 9.4mm을 가하는 위치를 서로 다르게 적용한 5개의 모델에서 대하여 지지하중과 응력을 FEM으로 해석하였다.

성능/효과

4mm의 변위하중을 가하였을 때 5개의 모델이 견딜 수 있는 최대지지하중을 제시한 해석결과이다. FEM 해석결과에 의하면, 9.4mm의 동일한 변위하중을 가하였을 때 발생한 최대수직하중은 8,050N로모델 5에서 가장 높게 나타났고, 모델 2에서는 가장 낮게 나타났다. 여기서 수직방향의 지지하중이 높다는 것은 돌출구조물을 포함하여 지지하중을 수용하는 접촉면적이 넓거나 안전모의 두께가 상대적으로 크다는 것을 의미하는 것으로 결국 강도안전성이 우수하다는 것을 의미한다.
안전모가 견딜 수 있는 최대지지하중은 모델 5에서 보여준 것처럼 돌출구조물의 주변에 고르게 분포될 때 높게 나타났다. 또한, 안전모의 응력강도 안전성 측면에서는 안전모의 정상부에 형성된 돌출구조물을 포함하여 인근에 균일하게 변위하중이 작용한다고 가정한 모델 4에서 가장 낮은 응력이 작용하는 것으로 나타났다.
본 연구에서 안전모에 동일한 수직 하방향의 변위하중 9.4mm를 가하였을 때 발생하는 최대지지하중은 모델 4와 모델 5에서 보여준 것처럼 변위하중이 돌출구조물의 주변에 고르게 분포되도록 작용할 때 안전모가 견디는 강도안전성이 우수한 것으로 나타났다. 또한, 안전모의 응력강도 안전성 측면에서는 안전모의 정상부에 형성된 돌출구조물을 포함하여 인근에 균일하게 분포하도록 변위하중을 분포시킨 모델 4에서 가장 낮은 응력이 작용하고 있다.
안전모가 견딜 수 있는 최대지지하중은 모델 5에서 보여준 것처럼 돌출구조물의 주변에 고르게 분포될 때 높게 나타났다. 또한, 안전모의 응력강도 안전성 측면에서는 안전모의 정상부에 형성된 돌출구조물을 포함하여 인근에 균일하게 변위하중이 작용한다고 가정한 모델 4에서 가장 낮은 응력이 작용하는 것으로 나타났다.
5(a)에서 보여주고 있다. 이때 안전모가 견딜 수 있는 최대지지하중은 8,050N으로 대단히 높게 나타났는데, 이것은 안전모의 정상부에서 견딜 수 있는 지지하중이 상대적으로 균일하게 분포되었기 때문에 나타난 해석결과로 안전모의 강도안전성이 우수하다는 것을 의미한다. 또한, Fig.
작업자의 안전을 확보하기 위해 모든 산업재해 현장에서 작업자는 안전모를 의무적으로 착용하도록 법으로 강제하고 있다. 작업자가 안전모를 착용할 경우 머리 부상률은 63~88%, 사망률은 73%나 감소하는 것으로 나타났다. 안전모를 착용할 경우 작업자의 안전은 크게 향상되지만 안전모를 미착용하는 이유는 착용에 따른 불편함을 호소하지만, 실제로는 안전 불감증이다.
해석결과에 의하면, 돌출구조물을 구비한 안전모의 정상부근에 가해지는 변위하중의 위치를 어느 곳에 작용시키느냐가 안전모의 지지하중과 응력에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	안전모를 FEM으로 해석한 결과는 어떻게 되는가?	해석결과에 의하면, 돌출구조물을 구비한 안전모의 정상부근에 가해지는 변위하중의 위치를 어느 곳에 작용시키느냐가 안전모의 지지하중과 응력에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다.
	안전모는 왜 착용하는가?	머리 부상을 방지하기 위해 착용하는 안전모(Safety helmet)는 외부의 충격 에너지를 완화시켜 작업자의 안전을 확보하기 위한 안전장구이다. 따라서 위험한 환경에서 작업해야 하는 가스, 소방, 산업,레포츠 등의 분야에서 안전모는 대단히 중요하다.
	안전모란 무엇인가?	머리 부상을 방지하기 위해 착용하는 안전모(Safety helmet)는 외부의 충격 에너지를 완화시켜 작업자의 안전을 확보하기 위한 안전장구이다. 따라서 위험한 환경에서 작업해야 하는 가스, 소방, 산업,레포츠 등의 분야에서 안전모는 대단히 중요하다.

참고문헌 (5)

M.J. Choi, "Impulsive Response Analysis of an Autocycle Helmet by Simulation", J. of Korea Simulation, 8(4), pp.25-31, (1999)
E.K, Han, K.W Ewong, J.S. Park, and S.W. Lee, "A Study on the Safety Evaluation of a Firefighters Helmet", J. of Korea Fire, 5(3), pp.5-14, (1991. 11.)
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Code for Firefighters Helmet, Ministry of Government and Safety, (2001. 9. 29)
NFPA Standards 1971-2000, National Fire Protection Association, (2007)

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