본 연구는 선행 연구로 진행되었던 수직상승형 고소작업차의 개발을 위한 구조해석 및 원격 제어를 포함한 중앙집중식 컨트롤러 및 유압식 상승리프트 개발에 관한 사후 연구로 진행되었다. 기존에 연구를 진행하면서 개발하였던 고소리프트의 구조 변경을 통하여 안전성 검토를 실시하였다. Solidworks로 3D 모델링을 진행하였으며, Hypermesh S/W를 통하여 유한요소의 모델을 생성하였다. 또한, 평가를 위한 작업차의 적재 환경은 작업 테이블에 위치별(전체, 상좌, 상우, 하좌, 하우)로 적재량이 250 kg인 조건, 작업 테이블에 위치별(전체, 상좌, 상우, 하좌, 하우)로 적재량이 600kg인 조건으로 하여 구조해석을 진행하여 다방면으로 안전성을 검토하였다. 그 결과 허용 적재량 250 kg과 초과 적재량 600 kg에 대해서 최대응력이 발생하는 부품을 제외한 결과를 살펴보면(Case-11 제외), 응력 수준은 항복강도 이하임을 알 수 있다. Case-11의 경우에는 최대응력이 발생하는 부품을 제외한 후에도 상단의 안전바 중앙 지지부에서 항복강도를 초과하는 영역이 존재하지만, 최대응력이 발생하는 부품과 같이 전체 구조물의 안전성 측면에는 영향을 미치지 않을 것으로 사료된다. 변위(처짐) 결과를 살펴보게 되면, 모든 경우에 있어서 동일하게 테이블에서 최대 처짐이 발생하는 것을 알 수 있으며, 250 kg과 600 kg 모두 처짐이 발생하는 경향은 동일한 것으로 나타났다.
본 연구는 선행 연구로 진행되었던 수직상승형 고소작업차의 개발을 위한 구조해석 및 원격 제어를 포함한 중앙집중식 컨트롤러 및 유압식 상승리프트 개발에 관한 사후 연구로 진행되었다. 기존에 연구를 진행하면서 개발하였던 고소리프트의 구조 변경을 통하여 안전성 검토를 실시하였다. Solidworks로 3D 모델링을 진행하였으며, Hypermesh S/W를 통하여 유한요소의 모델을 생성하였다. 또한, 평가를 위한 작업차의 적재 환경은 작업 테이블에 위치별(전체, 상좌, 상우, 하좌, 하우)로 적재량이 250 kg인 조건, 작업 테이블에 위치별(전체, 상좌, 상우, 하좌, 하우)로 적재량이 600kg인 조건으로 하여 구조해석을 진행하여 다방면으로 안전성을 검토하였다. 그 결과 허용 적재량 250 kg과 초과 적재량 600 kg에 대해서 최대응력이 발생하는 부품을 제외한 결과를 살펴보면(Case-11 제외), 응력 수준은 항복강도 이하임을 알 수 있다. Case-11의 경우에는 최대응력이 발생하는 부품을 제외한 후에도 상단의 안전바 중앙 지지부에서 항복강도를 초과하는 영역이 존재하지만, 최대응력이 발생하는 부품과 같이 전체 구조물의 안전성 측면에는 영향을 미치지 않을 것으로 사료된다. 변위(처짐) 결과를 살펴보게 되면, 모든 경우에 있어서 동일하게 테이블에서 최대 처짐이 발생하는 것을 알 수 있으며, 250 kg과 600 kg 모두 처짐이 발생하는 경향은 동일한 것으로 나타났다.
This study was conducted as a post - study on the development of a centralized controller and a hydraulic lift system including structural analysis and remote control for the development of a vertically elevated car. The safety review was carried out through the structural modification of the elevat...
This study was conducted as a post - study on the development of a centralized controller and a hydraulic lift system including structural analysis and remote control for the development of a vertically elevated car. The safety review was carried out through the structural modification of the elevator lift which was developed during the previous research. 3D modeling was performed with Solidworks, and a model of finite element was created through Hypermesh S / W. In addition, the loading environment of the work vehicle for the evaluation is a condition in which the loading amount is 250 kg per position (total, upper, upper, lower, and lower) on the work table, ), The structural analysis was carried out under the condition that the load was 600 kg, and safety was examined in various aspects. As a result, when the allowable load of 250 kg and the excess load of 600 kg are excluded (except Case-11), the stress level is below the yield strength. In the case of Case-11, there is a region exceeding the yield strength at the center support portion of the safety bar at the upper end even after excluding the component which generates the maximum stress, but it does not affect the safety aspect of the whole structure Respectively. Looking at the deflection results, it can be seen that in all cases the maximum deflection occurs in the same table, and the tendency of sagging in both 250 kg and 600 kg is the same.
This study was conducted as a post - study on the development of a centralized controller and a hydraulic lift system including structural analysis and remote control for the development of a vertically elevated car. The safety review was carried out through the structural modification of the elevator lift which was developed during the previous research. 3D modeling was performed with Solidworks, and a model of finite element was created through Hypermesh S / W. In addition, the loading environment of the work vehicle for the evaluation is a condition in which the loading amount is 250 kg per position (total, upper, upper, lower, and lower) on the work table, ), The structural analysis was carried out under the condition that the load was 600 kg, and safety was examined in various aspects. As a result, when the allowable load of 250 kg and the excess load of 600 kg are excluded (except Case-11), the stress level is below the yield strength. In the case of Case-11, there is a region exceeding the yield strength at the center support portion of the safety bar at the upper end even after excluding the component which generates the maximum stress, but it does not affect the safety aspect of the whole structure Respectively. Looking at the deflection results, it can be seen that in all cases the maximum deflection occurs in the same table, and the tendency of sagging in both 250 kg and 600 kg is the same.
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문제 정의
그 결과 고소리프트의 구조해석을 하였고 개발된 리프트의 경우 하중을 견디는 무게 및 조건, 시스템 등에 초점을 맞추어 진행하였다.[4] 본 연구에서는 기존의 선행연구로 개발된 고소리프트의 구조변경을 통하여 구조 안정성 평가에 대하여 연구하였다. 이러한 안정성 평가는 개발된 기기 및 시스템에 관하여 신뢰를 줄 수 있으며 이를 바탕으로 사용자가 기기를 사용함에 있어 안정감을 줄 수 있을 것으로 기대한다[5-8].
하지만, 이러한 고소작업차 및 고소리프트들에 관한 개발 연구들이 진행되고 있으나 설계과정 중 안정성에 대하여 안일하게 넘어가고 있는 것이 실정이다. 본 연구를 위한 선행연구의 결과로 원격 제어를 포함한 중앙집중식 컨트롤러 및 유압식 상승 고소리프트의 개발을 진행하였다[1-3]. 그 결과 고소리프트의 구조해석을 하였고 개발된 리프트의 경우 하중을 견디는 무게 및 조건, 시스템 등에 초점을 맞추어 진행하였다.
제안 방법
해석모델의 3D 모델링은 Solidworks로 진행하였고 Hypermesh S/W를 활용하여 유한요소 모델의 생성을 진행하였다. 3D 형상은 STEP file로 변환하고 Hypermesh로 불러들여 부품별 격자 작업을 수행하였고 격자 해석 결과의 신뢰성을 위하여, AutoMesh 기능을 사용하지 않고, Manual로 작업하여 주로 6면체 위주로 격자를 생성하였다. 격자 생성 작업이 완료된 유한요소 모델(FE Model)과 모델의 정보는 다음 표1과 같으며 완성된 해석영역은 그림1과 같다.
고소리프트의 구조안전성 평가를 하기 위해서, 앞서 설정한 조건을 Static(정적) 해석을 수행하였으며, 운용환경과 적재 위치에 따른 Case별 해석 결과를 검토하였다. 낮은 곳에 위치한 하부 구조는 높은 곳에 위치한 테이블 구조를 지지하게 되므로, 최대 응력은 낮은 곳의 하부지지 구조에서 발생하는 것을 확인할 수 있다.
그 결과 고소리프트의 구조해석을 하였고 개발된 리프트의 경우 하중을 견디는 무게 및 조건, 시스템 등에 초점을 맞추어 진행하였다.
Table형 전동 고소작업차는 주로 두께에 비해 길이와 너비가 큰 판재와 사각 빔(Beam)과 같은 부재들로 이뤄져 있어서, Solid 요소 대신 Shell 요소를 사용하여 모델링하는 것이 바람직하다. 따라서, 격자 작업은 주로 Continuum Shell 요소의 적용을 고려하여 수행하였으며, 그 외에는 Solid 요소의 6면체 요소(Hexahedral Element)와 4면체 Wedge 요소를 적용하였다. 또한, 요소의 잠김 (Locking)을 피하고 해설 결과의 신뢰성 향상과 계산 시간을 단축하기 위해서 저감적분 요소 (Reduced Intergration)를 사용하였다.
따라서, 격자 작업은 주로 Continuum Shell 요소의 적용을 고려하여 수행하였으며, 그 외에는 Solid 요소의 6면체 요소(Hexahedral Element)와 4면체 Wedge 요소를 적용하였다. 또한, 요소의 잠김 (Locking)을 피하고 해설 결과의 신뢰성 향상과 계산 시간을 단축하기 위해서 저감적분 요소 (Reduced Intergration)를 사용하였다. 동 고소작업차의 유한요소 모델의 해석을 위해서 적용한 요소 Type은 아래의 표2에 정리하였다.
또한, 탄성계수, 프아송비(Poisson’s Ratio), 그리고 밀도 값은 금속의 일반적인 Data를 적용하였다.
선행 연구를 통해 개발한 고소작업차의 경우 작업 면적이 좁고 사람이 움직이는데 제한을 둘 수 있었지만, 구조변경 이후의 고소리프트의 경우 작업공간의 확장 및 기존의 하중지지에 관한 연구를 바탕으로 더욱 안정성있게 변경하였으며 이를 해석모델로 사용하기로 하였다. 해석모델의 3D 모델링은 Solidworks로 진행하였고 Hypermesh S/W를 활용하여 유한요소 모델의 생성을 진행하였다.
평가를 위한 작업차의 적재 환경은 ① 작업 테이블에 위치별(전체, 상좌, 상우, 하좌, 하우)로 적재량이 250 kg인 조건, ② 작업 테이블에 위치 별(전체, 상좌, 상우, 하좌, 하우)로 적재량이 600kg인 조건으로 하였다. 적재환경 2가지 조건에 따라 총 11 Case에 대한 구조해석을 수행하였으며, 아래 표에 정리하였다.
전동 고소작업차의 자체 중량을 고려하기 위해서, 중력가속도 (9.8 m/s²)를 적용하였고, 적재량은 다음 그림에서와 같이 위치별로 250kg과 600kg을 각각 적용하였다.
선행 연구를 통해 개발한 고소작업차의 경우 작업 면적이 좁고 사람이 움직이는데 제한을 둘 수 있었지만, 구조변경 이후의 고소리프트의 경우 작업공간의 확장 및 기존의 하중지지에 관한 연구를 바탕으로 더욱 안정성있게 변경하였으며 이를 해석모델로 사용하기로 하였다. 해석모델의 3D 모델링은 Solidworks로 진행하였고 Hypermesh S/W를 활용하여 유한요소 모델의 생성을 진행하였다. 3D 형상은 STEP file로 변환하고 Hypermesh로 불러들여 부품별 격자 작업을 수행하였고 격자 해석 결과의 신뢰성을 위하여, AutoMesh 기능을 사용하지 않고, Manual로 작업하여 주로 6면체 위주로 격자를 생성하였다.
대상 데이터
본 모델의 해석은 범용 유한요소 S/W인 Abaqus를 활용하였으며, 이를 위해서 Hypermesh에서 작업이 완료된 유한요소 모델의 정보는 부품별로 Text file 형식으로 변환하여 Abaqus에서 순차적으로 불러들였다. Table형 전동 고소작업차는 주로 두께에 비해 길이와 너비가 큰 판재와 사각 빔(Beam)과 같은 부재들로 이뤄져 있어서, Solid 요소 대신 Shell 요소를 사용하여 모델링하는 것이 바람직하다.
해석의 응력값은 Von-Mises Stress 값을 토대로 검토한다. 해석에 적용한 재료의 물성치는 S45C로, 항복강도는 250MPa급의 기계구조용 탄소 강재이다. 또한, 탄성계수, 프아송비(Poisson’s Ratio), 그리고 밀도 값은 금속의 일반적인 Data를 적용하였다.
이론/모형
고소리프트의 구조안전성 평가는 적재 하중에 의해 발생하는 응력값이 재료의 항복강도 이하를 만족하는지 여부로 판단한다. 해석의 응력값은 Von-Mises Stress 값을 토대로 검토한다. 해석에 적용한 재료의 물성치는 S45C로, 항복강도는 250MPa급의 기계구조용 탄소 강재이다.
성능/효과
변위(처짐) 결과를 살펴보게 되면, 모든 경우에 있어서 동일하게 테이블에서 최대 처짐이 발생하는 것을 알 수 있으며, 250 kg과 600 kg 모두 처짐이 발생하는 경향은 동일한 것으로 나타났다. 다만, 테이블을 지지하는 구조가 콘트롤러 방향에 위치해 있어 상좌나 상우에 하중이 작용하는 경우보다 하좌나 하우에 하중이 작용하는 경우에 더 큰 처짐이 발생하게 된다.
상기의 결과에 의해 구조물에 걸리는 응력을 기준으로 구조안전성 측면을 살펴보면, 폭 방향 지지빔과 핀을 고정하는 부품에서 최대응력이 발생하여 소재의 항복강도를 초과하는 것으로 나타났다. 하지만, 허용 적재량 250 kg과 초과 적재량 600 kg에 대해서 최대응력이 발생하는 부품을 제외한 결과를 살펴보면(Case-11 제외), 응력 수준은 항복강도 이하임을 알 수 있다.
후속연구
[4] 본 연구에서는 기존의 선행연구로 개발된 고소리프트의 구조변경을 통하여 구조 안정성 평가에 대하여 연구하였다. 이러한 안정성 평가는 개발된 기기 및 시스템에 관하여 신뢰를 줄 수 있으며 이를 바탕으로 사용자가 기기를 사용함에 있어 안정감을 줄 수 있을 것으로 기대한다[5-8].
다만, 테이블을 지지하는 구조가 콘트롤러 방향에 위치해 있어 상좌나 상우에 하중이 작용하는 경우보다 하좌나 하우에 하중이 작용하는 경우에 더 큰 처짐이 발생하게 된다. 이를 바탕으로 우리가 개발하고 수정한 고소리프트의 안전성 검토는 기존의 고소리프트와 비교하였을 때 안전하다는 것이 확인되었으며, 이를 바탕으로 고소리프트의 안전성 검토에 관한 연구가 지속될 것으로 기대한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
해석모델의 3D 모델링은 무슨 소프트웨어를 이용해 진행됐는가?
선행 연구를 통해 개발한 고소작업차의 경우 작업 면적이 좁고 사람이 움직이는데 제한을 둘 수 있었지만, 구조변경 이후의 고소리프트의 경우 작업공간의 확장 및 기존의 하중지지에 관한 연구를 바탕으로 더욱 안정성있게 변경하였으며 이를 해석모델로 사용하기로 하였다. 해석모델의 3D 모델링은 Solidworks로 진행하였고 Hypermesh S/W를 활용하여 유한요소 모델의 생성을 진행하였다. 3D 형상은 STEP file로 변환하고 Hypermesh로 불러들여 부품별 격자 작업을 수행하였고 격자 해석 결과의 신뢰성을 위하여, AutoMesh 기능을 사용하지 않고, Manual로 작업하여 주로 6면체 위주로 격자를 생성하였다.
고소작업차 및 고소리프트들에 관한 개발 연구들의 한계는?
특히 높은 위치에서 작업을 할 때 산업혁명이 발생하기전 사다 리에 사람이 올라가 수작업으로 진행했던 모든 것들을 고소작업차 및 고소리프트를 통하여 작업을 진행하고 있다. 하지만, 이러한 고소작업차 및 고소리프트들에 관한 개발 연구들이 진행되고 있으나 설계과정 중 안정성에 대하여 안일하게 넘어가고 있는 것이 실정이다. 본 연구를 위한 선행연구의 결과로 원격 제어를 포함한 중앙집중식 컨트롤러 및 유압식 상승 고소리프트의 개발을 진행하였다[1-3].
고소작업기계의 구조안전성 평가를 위한 적재환경은?
고소작업기계의 구조안전성 평가를 위한 해석 조건은 웅용 시의 적재환경을 기반으로 설정한다. 평가를 위한 작업차의 적재 환경은 ① 작업 테이블에 위치별(전체, 상좌, 상우, 하좌, 하우)로 적재량이 250 kg인 조건, ② 작업 테이블에 위치 별(전체, 상좌, 상우, 하좌, 하우)로 적재량이 600kg인 조건으로 하였다. 적재환경 2가지 조건에 따라 총 11 Case에 대한 구조해석을 수행하였으며, 아래 표에 정리하였다.
참고문헌 (8)
Sang-Sik Lee, Jun-Tae Kim, Won-Yeop Park, "Development of Centralized controller with remote control and hydraulic lift", Korea Institute of Information and Telecommunication Technology 10.3 (2017): 232-241.
Sang-Sik Lee, Jun-Tae Kim, Won-Yeop Park, "Structural analysis for the development of a vertically raise type aerial work machinery " Korea Institute of Information and Telecommunication Technology 10.3 (2017): 225-231
Sang-sik Lee, Se-yoon Jang, Tae-soo Kim, Kyou-cheol Nam, Won-yeop Park, "Design of Motor-driven Traveling System for High Clearance Working Machinery based on Tractive Performance and Hill Climbing Abilit", Korea Institute of Information and Telecommunication Technology, Vol. 9, No. 3, 2016
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Chang-Min Lee, Yeon-Ju Oh, Y. J. Yoo, Kwang-Hyun Shin, B. C. Yoo. "The Ergonomics Improvement of Convenience Equipment for farm work (about the fruit and field crops)", Proceedings of the 2009 Spring Conference of the Ergonomics Society of Korea, 190-194, 2009
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