[논문]차량용 가스스프링의 최적설계에 관한 연구

이춘태

doi:10.7839/ksfc.2017.14.4.045

[국내논문] 차량용 가스스프링의 최적설계에 관한 연구
A Study on the Optimal Design of Automotive Gas Spring 원문보기

드라이브ㆍ컨트롤 = Journal of drive and control, v.14 no.4, 2017년, pp.45 - 50

이춘태 (Department of Intelligent Vehicle Engineering, Silla University)

Abstract ▼ AI-Helper

The gas spring is a hydropneumatic adjusting element, consisting of a pressure tube, a piston rod, a piston and a connection fitting. The gas spring is filled with compressed nitrogen within the cylinder. The filling pressure acts on both sides of the piston and because of area difference it produces an extension force. Therefore, a gas spring is similar in function compare to mechanical coil spring. Conversely, optimization is a process of finding the best set of parameters to reach a goal while not violating certain constraints. The AMESim software provides NLPQL (Nonlinear Programming by Quadratic Lagrangian) and GA (genetic algorithm) for optimization. The NLPQL method builds a quadratic approximation to the Lagrange function and linear approximations to all output constraints at each iteration, starting with the identity matrix for the Hessian of the Lagrangian, and gradually updating it using the BFGS method. On each iteration, a quadratic programming problem is solved to find an improved design until the final convergence to the optimum design. In this study, we conducted optimization design of the gas spring reaction force with NLPQL.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

또한 김일용⁶⁾은 최근의 다양한 최적화 설계기법을 소개하고, 서로 상충하는 설계기준을 다루는 다목적 최적설계에 대하여 자세히 소개하였다. 따라서, 본 연구에서는 이러한 연구 동향을 바탕으로 최근 유압시스템 설계 및 해석 분야에서 널리 사용되고 있는 LMS AMESim 소프트웨어를 이용하여 가스스프링을 대상으로 가스스프링 반력설계에 대한 최적설계를 수행하였다. 본 연구에서는 비선형 최적화 설계 알고리즘인 NLPQL을 적용하였다.

제안 방법

5에서와 같이 가스스프링 반력 특성이 인장과 압축의 한 사이클로 이루어져 있어 반력특성을 인장과 압축행정으로 구분하여 설계하기 위해서이다. 여기서, 최적설계의 목적함수를 시뮬레이션 상의 물성치로 표현하기 위하여 최적화 하고자 하는 가스스프링의 반력(c)을 설계하고자 하는 반력(d, e)과 비교하여 그 차이(f, g)를 구하고, 신호스위치(h)에 의해 인장 상태일 때는 (f)를 압축 상태일 때는(g)를 선택한 후 그 차이를 제곱(i)하고 적분(j)한 결과(k)를 목적함수로 선택하였다.

데이터처리

시뮬레이션은 변위입력으로부터 가스스프링의 피스톤로드에 변위가 가해지고, 이 변위에 의해 가스스프링에 발생하는 반력을 해석하였다. 이상과 같은 조건으로 시뮬레이션 한 결과를 Fig.

이론/모형

따라서, 본 연구에서는 이러한 연구 동향을 바탕으로 최근 유압시스템 설계 및 해석 분야에서 널리 사용되고 있는 LMS AMESim 소프트웨어를 이용하여 가스스프링을 대상으로 가스스프링 반력설계에 대한 최적설계를 수행하였다. 본 연구에서는 비선형 최적화 설계 알고리즘인 NLPQL을 적용하였다.
최적화는 주어진 제한조건 내에서 목적함수를 최소화 또는 최대화하는 최적의 파라미터를 구하는 과정이다. 본 논문에서 사용한 NLPQL(nonlinear programming quadratic line search)은 Schittkowski⁷⁾와 Uni Bayreuth 교수에 의해 제안된 비선형 문제의 최적화 알고리즘으로 함수의 미분 개념인 그레디언트(gradient) 개념을 이용한다. 따라서 불연속 파라미터는 이 알고리즘에서 제외된다.

성능/효과

이상과 같이 비선형 최적화 알고리즘을 이용하여 가스스프링의 반력특성을 설계사양에 맞추어 최적화하는 최적설계 과정을 수행하였고, 최적으로 설계된 설계변수를 이용하여 설계사양과 매우 잘 일치하는 결과를 얻을 수 있어 설계과정에 대한 신뢰성을 확인할 수 있었다. 또한, 최적설계 검증 결과에서와 같이 설계사양과 최적설계 사이에는 최대 0.
이상과 같이 비선형 최적화 알고리즘을 이용하여 가스스프링의 반력특성을 설계사양에 맞추어 최적화하는 최적설계 과정을 수행하였고, 최적으로 설계된 설계변수를 이용하여 설계사양과 매우 잘 일치하는 결과를 얻을 수 있어 설계과정에 대한 신뢰성을 확인할 수 있었다. 또한, 최적설계 검증 결과에서와 같이 설계사양과 최적설계 사이에는 최대 0.75% 이하의 오차가 발생하여 시뮬레이션 모델과 최적 알고리즘을 연동하여 해석하는 방법은 많은 설계변수를 포함하고 있는 유압시스템의 최적화 문제에 매우 효율적인 방법임을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	가스스프링에는 어떤 힘이 작용하는가?	가스스프링은 실린더 내에 고압의 질소가스를 밀봉하여 가스의 압력과 피스톤 양단의 면적 차에 의해 항상 피스톤로드(piston rod)를 밀어내는 방향으로 반력이 작용한다. 이러한 가스스프링은 스프링 동작이 필요한 장소에 코일스프링을 대신하여 광범위하게 사용되고 있으며 특히, 자동차의 엔진 후드(hood), 트렁크 리드(trunk lid), 테일 게이트(tailgate) 등 개폐와 하중 지지가 필요한 부분에 널리 사용되고 있다.
	가스스프링이 사용되는 곳은 어디인가?	가스스프링은 실린더 내에 고압의 질소가스를 밀봉하여 가스의 압력과 피스톤 양단의 면적 차에 의해 항상 피스톤로드(piston rod)를 밀어내는 방향으로 반력이 작용한다. 이러한 가스스프링은 스프링 동작이 필요한 장소에 코일스프링을 대신하여 광범위하게 사용되고 있으며 특히, 자동차의 엔진 후드(hood), 트렁크 리드(trunk lid), 테일 게이트(tailgate) 등 개폐와 하중 지지가 필요한 부분에 널리 사용되고 있다. Fig.
	가스스프링이 압축행정에서는 반력이 증가하는 원리는 무엇인가?	가스스프링의 피스톤이 압축행정일 경우에는 피스톤로드가 가스스프링 내부로 들어오게 되므로 가스스프링 내부 체적이 감소하게 되어 가스의 압력이 증가하게 된다. 이로 인해 압축행정에서는 반력이 증가하게 된다.

참고문헌 (8)

Y. B. Kim, "A Study on the Optimal Design of Gas Spring for Vehicle", Journal of the KSPE, Vol.15, No.11, pp.39-45, 1998.
C. H. Kim, H. M. Kim, G. S. Choi, H. I. Jung, Y. H. Jin and C. W. Lim, "A Study of Numerical Analysis for Gas Spring Operate", Proceedings of KSAE, KSAE04-Y0019, pp.146-151, 2004.
C. T. Lee, "A Study on the Reaction Force Characteristics of the Gas Spring for the Automotive", Journal of Drive and Control, Vol.12 No.4 pp.35-40, 2015.

원문보기 상세보기
C. T. Lee, "A Study on the Dynamic Characteristics of the Gas Spring on the Automotive Application", Journal of Drive and Control, Vol.12 No.4 pp.15-20, 2015.
S. R. Lee, "Design of Optimal Locating Point of the Hydraulic Cylinder Actuating a Roller-Link Type Rotating Floodgate", Journal of the Korea Society of Fluid Power & Construction Equipments, Vol.9, No.3 pp.29-36, 2012.
I. Y. Kim, "Multiobjective Optimization", Journal of Scientific & Technological Knowledge Infrastructure, Vol.25, No.1, pp.48-51, 2007.
K. Schittkowski, "NLPQL : a Fortran subroutine for solving constrained nonlinear programming problems", Annals of Operations Research 5, pp. 485-500, 1985.
LMS AMESim, "Optimization, Robustness, Design of Experiments manual", 2016.

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