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문제 정의
- EN 280-2013 및 JIS 9690_2013 두 시험 방법 모두 붐의 안전에 관한 내용을 가지고 있으며, 실제 붐의 설치된 상태인 시험 지그로 붐을 감싸는 형태로 선진국 절연 붐과 국산화 절연 붐의 성능 평가를 진행하여 성공적인 개발을 진행하고자 한다.
- 이러한 상황을 미연에 방지하기 위하여 국내에서는 절연 고소작업차가 관심을 받고 있으며, 많은 절연 고소작업차 선진국의 절연 붐을 전량 부품 수입에 의존하고 있다. 본 연구는 절연 붐을 성공적인 국산화 개발을 위하여 개발 절연 붐과 선진국의 수입절연 붐과 CAE해석과 시험을 통하여 성능 비교 분석을 하고자 한다.[3~4] 절연붐의 성능 평가 시험규격은 영국의 EN 280-2013 및 일본의 JIS 9690_2013으로 고소작업차 (MEWPs)에 대한 기술상의 안전 요구 사항 및 방호 수단 점검 방법에 대해 규정한다.
제안 방법
- Fig. 10과 같이 시험편1(Specimen1), 시험편 2(Specimen2)의 고정점으로부터 각각 150mm, 500mm, 1000mm, 1500 mm의 위치에 변형량 측정기(Strain Gauge)를 부착하여 그 값을 측정 하였다. Fig.
- Fig. 4는 시험편 모델에 대한 경계 조건으로 시험편 끝 부분 부터 1000mm 부분으로 고정하고 선단에 시험 적용 하중인 450kgf(4410N)을 적용하여 시험편1(Specimen1) 과 시험편2(Specimen2)의 총 변형량(Total Deformation), 등가응력(Equivalent Stress), 탄성변형(Normal Elastic Strain)을 확인하고 제품 비교 분석을 진행하겠다.
- 또한 개발 전 미리 안전성을 파악하기 위해 3차원 CAD 프로그램 CATIA를 사용하여 붐을 모델링 하였고, 구조해석 프로그램 ANSYS를 이용하여 붐의 정적 구조해석을 수행한다.
- 본 논문에서는 절연붐 시험 기준으로서 EN280_2013 및 JIS 9690_2013을 바탕으로 절연 고소작업차에서 사용하는 2가지 GFRP 붐의 구조해석 진행과 변형량 측정기(Strain Gauge)를 부착하여 변형(Strain) 측정시험 통하여 상호 비교를 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 본 시험에서 절연 붐에 준정적 하중을 가하기 위해서 선형 내구 시험기를 사용하였다. 계측 장비는 e-DAQ Plus를 사용하였으며, 변형량 측정기(Strain Gauge) 종류는 KYOWA KFG-5-350을 사용하였다.
- 본 해석은 시험편1 (Specimen1)과 시험편2(Specimen2) 2가지의 모델로 해석을 진행하였으며, 시험을 진행하기 전에 변형률(Strain) 값을 통하여 취약부를 확인하였다. 확인된 취약부에 스트레인 게이지를 부착한 시험을 통하여 해석에 대한 신뢰성을 확인하는 동시에 시험편에 대한 안전성을 검증할 예정이다 해석에 사용한 프로그램은 ANSYSR16을 진행하였다.
- 고정부로부터 150mm, 500mm, 1000mm, 1500mm의 거리에 부착하였다. 부착한 변형량측정기(Strain Gauges)로부터 변형(Strain) 값, 선형 내구 지그로부터 하중 이력과 변위 이력을 계측하였다.
- 9와 같이 선형 내구 시험기와 지그를 이용하여 진행하였다. 시험 방법은 시험편인 절연 붐을 완전히 붐과 붐이 겹치는 구간을 고정하고, 하중은 붐의 최대 적재 하중인 450kgf로 설정 후 변 형량 측정기(Strain Gauges)를 그림과 같은 위치이다.고정부로부터 150mm, 500mm, 1000mm, 1500mm의 거리에 부착하였다.
- 시험편1(Specimen1) 과 시험편2(Specimen2)의 3D 모델링을 해석 통해 탄성변형(Normal Elastic Strain) 값을 확인하고 시험 값을 비교하고 경향성을 판단하기 위한 방법으로 시험에서 진행할 변형량 측정기(Strain Gauges)의 부착 위치인 150mm, 500mm, 1000mm, 1500mm 구간의 탄성변형(Normal Elastic Strain) 값을 확인하고 시험 값과 비교하여 현재 해석진행 방법에 대한 신뢰정도를 확인하기 위하여 다음과 같이 해석을 하였다.
대상 데이터
- 선진사 제품과 개발 제품의 시험편 붐 모델은 242mm × 242mm 정사각형의 길이는 6m의 1단 붐이며 미국의 WACO BOOM(Specimen1) 시험편은 두께가 16mm, WACO BOOM의 벤치마킹하여 제작한 시험편(Specimen2)은 두께가 18mm로 두께를 제외한 모든 제원은 같으나, GFRP특성상 적층수(Ply)가 많고 적은 두께인 제품이 기술력이 뛰어남으로 시험편 1과 시험편 2를 비교하기 위해 WACO BOOM과 개발 시험편을 준비하였으며, 붐의 재료는 GFRP(glass fiber reinforced plastics)로서 유리 섬유로 보강된 강화플라스틱으로써 고유가 시대에 경량화와 고강도의 재료로서 스틸을 대체하는 재료로 사용되고 있다.
- 해석의 메쉬 크기(Mesh Size)는 10mm로 선정하였으며, Fig.3은 메쉬(Mesh) 조건의 Nodes와 Elements를 보여주고 있다.
데이터처리
- 본 해석은 시험편1 (Specimen1)과 시험편2(Specimen2) 2가지의 모델로 해석을 진행하였으며, 시험을 진행하기 전에 변형률(Strain) 값을 통하여 취약부를 확인하였다. 확인된 취약부에 스트레인 게이지를 부착한 시험을 통하여 해석에 대한 신뢰성을 확인하는 동시에 시험편에 대한 안전성을 검증할 예정이다 해석에 사용한 프로그램은 ANSYSR16을 진행하였다. 해석의 메쉬 크기(Mesh Size)는 10mm로 선정하였으며, Fig.
성능/효과
- 1) 해석 결과 Specimen2가 Specimen1보다 Equivalent Stress를 더 적게 영향을 받는 것으로 나타났다. Specimen2의 Ply가 Specimen1보다 적은 관계로 Ply수가 적은 만큼 수지가 부족한 부분을 차지하게 되어 차이가 있는 것으로 보이며, 이를 보강하기 위해서는 Ply수를 높이고 가공 과정에서 압력을 더하는 방향으로 설계 및 제작 시에 고려할 필요가 있다.
- 2) Specimen1과 Specimen2의 스트레인 값은 해석 결과와 시험 모두 최대 strain 값은 고정부에서 나타났으며, 이 부분은 붐과 붐을 연결해주는 부위를 토대로 지그를 제작하였기 때문에 부분의 강도 높이는 설계 변경이 필요하다.
- 3) 해석 결과와 시험 결과 값을 보면 선형적으로 증가하는 경향과 비슷한 기울기를 보여주고 있으며, strain값의 비교 결과 약 10% 차이가 있었다. 결과 비교 값의 오차범위가 약 10%인 것으로 보아 해석방법이 어느 정도 정확성을 가지고 있으며, 또한 약 10%의 오차는 붐 제작 시 작업자나 금형을 압축력에 따라 제품의 강도 강성에 변수가 작용하는 것으로 판단되고 많은 Ply수의 GFRP 붐의 제작 시 압축 기술력을 높인다면 충분히 비교 제품인 WACO BOOM의 붐과 대등한 제품이 제작 가능하다.
- Fig. 11와 Fig. 12의 그래프를 보면 변형량 측정기(Strain Gauge)와 탄성변형(Normal Elastic Strain)의 마지막 측정값 중 가장 큰 차이를 보이는 150mm를 비교해보면 시험편1(Specimen1)의 해석 값은 502με 시험 값은 450με 으로 약 10%의 차이를 볼 수 있었고 변형(Strain)구간의 길이가 길어질수록 오차는 범위는 줄어드는 것으로 확인 되었다.
- 4는 시험편1(Specimen1) 과 시험편2(Specimen2)의 탄성변형(Normal Elastic Strain) 결과 값을 정리하였다. 값을 확인해보면 두 가지 모두 탄성변형(Normal Elastic Strain)이 고정부에 최대로 나타났고, 끝단부에 가장 낮은 부분으로 나타났다.
- 3) 해석 결과와 시험 결과 값을 보면 선형적으로 증가하는 경향과 비슷한 기울기를 보여주고 있으며, strain값의 비교 결과 약 10% 차이가 있었다. 결과 비교 값의 오차범위가 약 10%인 것으로 보아 해석방법이 어느 정도 정확성을 가지고 있으며, 또한 약 10%의 오차는 붐 제작 시 작업자나 금형을 압축력에 따라 제품의 강도 강성에 변수가 작용하는 것으로 판단되고 많은 Ply수의 GFRP 붐의 제작 시 압축 기술력을 높인다면 충분히 비교 제품인 WACO BOOM의 붐과 대등한 제품이 제작 가능하다.
- 두 시험편을 비교하고 구조적 안전성을 파악하기 위해 해석을 진행하였으며, 시험편1(Specimen1)은 GFRP의 적층 수가 46 Ply으로 개발 제품보다 15Ply 적층 수가 많으며, 두께는 16mm로 개발 제품보다는 2mm 정도 적다. 해석 결과 총 변형량(Total Deformation)의 최대로 발생한 부분은 BOOM의 끝단부에서 발생되고 값은 136.
- 본 해석은 2가지 모델로 시험편1(Specimen1)과 개발 시험편인 시험편2(Specimen2)의 2가지 모델로 해석을 진행한 결과 시험편1(Specimen1) 총변형량(Total Deformation), 등가응력(Equivalent Stress) 값은 Fig.5과 같이 총 변형량 (Total Deformation)136.18mm 등가응력(Equivalent Stress) 140.94MPa 확인하였고, 시험편2(Specimen2) 총변형량(Total Deformation), 등가응력(Equivalent Stress) 값은 Fig.6 과 같이 총변형량(Total Deformation) 180.27mm, 등가응력(Equivalent Stress) 45.44MPa으로 확인하였다. 탄성변형(Normal Elastic Strain) 구간별 값은 Fig.
- 시험편2(Specimen2) GFRP의 적층 수가 31Ply로 시험편1(Specimen1) 제품보다 15Ply 적층 수가 적은, 두께는 18mm로 개발 제품보다는 2mm 정도 두꺼우며, 제품 제작 시 압축 과정이 아직 미흡한 것으로 판단되며 해석결과 총변형량(Total Deformation)은 180.27mm 이였으며, Specimen1과 같이 BOOM의 끝단부에서 발생하였고, 등가응력(Equivalent Stress)는 180MPa 고정부에서 최대로 발생하였다. Fig.
- 해석 결과 총 변형량(Total Deformation)의 최대로 발생한 부분은 BOOM의 끝단부에서 발생되고 값은 136.18mm 이였으며, 등가 응력(Equivalent Stress)는 고정부에서 가장 최대로 발생하였고 값은 140MPa .
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