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제안 방법
- 그러나 강성을 높이는 방안만을 고려한 커넥팅 로드의 설계는 중량만을 증가시키고 엔진의 효율적인 측면에서 저하가 됨은 물론이고 연비증가의 원인이 된다.3-5) 이러한 문제에 대한 설계 방안으로서 본 논문에서는 폭발하중으로 인해 발생하는 인장하중 및 압축하중의 반복에 의한 커넥팅 로드의 응력해석과 주요 제어 인자(control factor)와 잡음인자(noise factor)의 설계 영향 분석을 통한 강건 설계를 시도 하였다. 다구찌 법을 사용한 실험계획은 적은 실험 횟수로도 각 인자의 영향을 파악할 수 있고 최적의 인자값과 그 조합을 정량적으로 얻을 수 있다.
- 다구찌 법을 사용한 실험계획은 적은 실험 횟수로도 각 인자의 영향을 파악할 수 있고 최적의 인자값과 그 조합을 정량적으로 얻을 수 있다.6,7) 커넥팅 로드의 강건설계를 위해 응력해석을 하였고 응력해석결과에서 응력이 집중되는 부위 3지역을 선정하여 다구찌 기법을 적용한 설계 해석절차를 적용하였고 강건설계 결과를 Goodman 선도에 변동응력으로 나타내어 그 효용성을 확인하였다. 다구찌기법은 제어인자 4가지를 3수준으로 정하였고 잡음인자 3가지를 2수준으로 정하여 L9 (23 )직교배열표를 구성하여 사용하였다.
- 유한요소 해석에 사용된 모델은 커넥팅 로드, 커넥팅 로드 캡, 피스톤 핀, 크랭크 핀, 볼트를 사용하였으며, 전처리기인 Hypermesh를 사용하여 사면체와 육면체 요소를 생성하였다. 전체모델에서 약 84,000여개의 절점과 61,000여개의 요소가 사용되었고, ABAQUS에서 제공하는 사면체 요소(C3D10M) 와 육면체 요소(C3D8I)를 이용하여 Fig. 1과 같이 모델링을 하였다. Table 1에는 사용된 파트별 요소의 종류를 나타내었다.
- 커넥팅로드에 작용하는 하중은 폭발하중으로 인해 발생된 인장 및 압축변동 하중과 피스톤핀, 크랭크 핀의 끼워맞춤(interference fit)에 의한 하중, 볼트 체결하중으로 총3가지로 구성된다. 그리고 부품간의 접촉면에는 소규모 미끄러짐 접촉조건을 적용하였고, 베어링과 부싱에는 끼워맞춤 접촉조건을 적용하였다.
- 실질적으로 제어가 가능한 볼트의 크기, 커넥팅 로드의 두께, 커넥팅 로드의 대단부와 소단부 필렛의 반경을 선택하여 총 4가지의 제어인자를 구성하였고, 정확한 예측이 어려운 폭발하중으로 인한 인장하중 및 압축하중의 크기, 피스톤 핀, 크랭크 핀의 끼워맞춤에 의한 하중, 볼트체결 하중으로 3종류의 잡음인자를 선택하였다.
- 내측배열에 대하여 선택한 4종류의 제어인자와 수준은 2수준을 기준값으로 선정하였고 설계제한 범위 내에서 1수준과 3수준을 정하였다(Table 3, Fig. 4). 사용된 제어인자를 사용한 직교배열표는 Table 4와 같다.
- 볼트 체결 하중 같은 경우 볼트헤드의 직경에 따라 체결하중이 다르기 때문에 볼트 체결하중을 다르게 설정하였고 2수준으로 설정하였다 (평균값의±10 %의 값).
- 외측배열의 경우 제어가 어려운 인자들로 구성하며, 폭발하중으로 인한 인장 및 압축 변동하중과 피스톤 핀, 크랭크 핀의 끼워맞춤에 의한 하중, 볼트 체결 하중으로 총 3가지의 잡음인자를 2수준으로 정하여 완전요인 실험을 하였다(Table 5 ~ 7). 완전요인실험은 인자의 모든 실험 수준의 가능한 조합에 대해 무작위로 실험하는 것으로 모든 수준의 조합에 대해서 실험 하며 주효과와 교호작용 효과를 모두 포함한다.
- 다구찌 기법을 사용한 강건 커넥팅 로드의 설계 방법은 응력집중부위에 발생하는 응력을 감소시킬 뿐만 아니라 응력 산포의 축소를 목표로 한다. 응력 집중부위 3지역중 소단부 필렛부분은 압축하중시 가장 높은 응력값을 나타내었고 기본모델에서 파손가능성이 가장 높은 부분으로 파악되어 반응값을 측정하는 위치로 선정하였다. Table 8과 Table 9에 내측배열과 외측배열 각각에 대한 응력 결과값을 나타내었다.
- 강건 설계 방향을 설정하고자 2가지 방법으로 응력의 경향을 나타내었다. 첫 번째 방법은 외측배열에 배치한 8종류의 잡음인자모델을 고정하고 각 모델별로 내측배열에 배치한 9종류의 제어인자 모델에 대하여 변화한 결과를 피로선도 상에 나타내었고, 두 번째 방법은 내측배열에 배치한 9종류의 제어인자를 고정하고 각각의 제어인자 배열에 대해 외측배열에 표시한 8종류의 잡음인자 모델의 반응을 나타내었다.
- 두 번째 결과는 내측배열에 배치한 제어인자의 조합(Table 4)들을 고정하고 각각의 조합에 대하여 8종류의 잡음인자 조합에 대한 응력변동 경향을 표시하였다. 고정된 제어인자에 대한 잡음인자 조합들의 경우에 대한 응력점들의 경향은 강건 설계의 방향의 설정을 가능하게 한다.
- 압축, 인장의 반복적인 변동하중을 받는 커넥팅 로드의 유한요소해석의 결과를 사용하여 응력집중부위를 설정하였다. 제어 가능한 인자와 불가능한 인자를 고려한 다구찌 기법을 활용한 강건 설계 결과와 변동응력을 사용한 결과를 연계하여 제안한 변동응력방법의 효용성을 보여주었고 최적화된 강건 모델을 구현하였다.
대상 데이터
- 유한요소 해석에 사용된 모델은 커넥팅 로드, 커넥팅 로드 캡, 피스톤 핀, 크랭크 핀, 볼트를 사용하였으며, 전처리기인 Hypermesh를 사용하여 사면체와 육면체 요소를 생성하였다. 전체모델에서 약 84,000여개의 절점과 61,000여개의 요소가 사용되었고, ABAQUS에서 제공하는 사면체 요소(C3D10M) 와 육면체 요소(C3D8I)를 이용하여 Fig.
- 본 연구에 사용된 커넥팅 로드 재료의 인장강도는 910 MPa, 피로강도는 400 MPa이다.
데이터처리
- 다구찌기법은 제어인자 4가지를 3수준으로 정하였고 잡음인자 3가지를 2수준으로 정하여 L9 (23 )직교배열표를 구성하여 사용하였다. 그리고 전처리기는 Hypermesh, 해석 상용 프로그램은 ABAQUS8), 통계 상용프로그램은 MINITAB9)을 사용하였다.
- Table 10에 응력평균 반응의 결과를 나타냈었다. 분산분석으로 각 인자의 제곱합(SS)를 구하고, 제곱합을 이용하여 인자에 따른 기여율(contribution rate)을 계산하였다. 응력평균값에 미치는 기여율은 B인자 73.
이론/모형
- 부품간의 접촉되는 부분은 3D 요소망 생성 시 절점들이 맞닿도록 하였다. 원활한 소규모 미끄러짐 접촉조건(small sliding contact)의 수렴을 위하여 요소망 생성 시 베어링과 핀은 육면체 요소(C3D8I)를 사용했으며, 커넥팅 로드 유한요소 모델은 CAD모델의 곡선부의 형상을 유지하기 위하여 사면체 요소(C3D10M)를 사용하였다.
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