선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 본 연구에서는 90 kW급 농업용 트랙터 프론트 로더의 초기설계안에서 나타난 마운트의 응력집중을 줄이기 위한 설계개선안 도출과 충격시험 조건에서의 안전성 평가를 다루고자 한다.
- 그러나 통상적으로 프론트 로더 제조업체에서는 개발 단계에서 본기에 장착하기 전에 프론트 로더 시작품만을 대상으로 낙하정지시험을 수행하게 된다. 본 연구에서는 이를 고려하여 낙하정지시험 조건의 해석 시에는 본기를 제외하고 프론트 로더만에 대한 해석을 수행하였다.
- 본 연구에서는 프론트 로더의 신모델 개발 단계에서 도출된 설계개선안에 대하여 충격시험 조건에 대한 유한요소해석을 수행하여 안전성을 평가하였다. 본 연구를 통하여 얻은 주요 결과를 요약하면 다음과 같다.
- 여기에서는 프론트 로더의 초기설계안 해석결과[2] 최대응력이 발생한 위치의 응력집중과 이에 의거하여 도출된 설계개선안을 설명하고자 한다.
제안 방법
- 1. 초기설계안 해석결과에서 나타난 마운트의 국부적 응력집중을 저감하기 위한 설계개선안을 도출하였다. 초기설계안에서는 마운트의 수직판재와 후방프레임에 체결되는 수직판재를 연결하는 부재가 사각관이 L자 형태로 꺾인 형상이었으나, 설계개선안에서는 직선 형상의 경사진 원형관으로 변경하였다.
- 복잡한 형상의 프론트 로더 구조에 따라 수반될 수밖에 없는 해석 시간을 단축하기 위하여 해석을 두 단계로 나누어 수행하였다. 1단계 해석에서는 프론트 로더의 낙하에 대한 강체 동역학 해석을 수행하여 정지 직전의 각 부품의 속도를 구하였다. 2단계 해석에서는 1단계 해석에서 구한 부품들의 속도를 초기조건으로 사용하여 과도응력해석을 수행함으로써 정지 시의 충격에 의한 응력을 구하였다.
- 2. 설계개선안에 대하여 낙하정지시험, 코너당김시험, 코너충돌시험의 세 가지 충격시험 조건에 대하여 강체동해석, 과도구조해석, 정적구조해석 등을 수행하여 충격에 대한 안전성을 검증하였다.
- 1단계 해석에서는 프론트 로더의 낙하에 대한 강체 동역학 해석을 수행하여 정지 직전의 각 부품의 속도를 구하였다. 2단계 해석에서는 1단계 해석에서 구한 부품들의 속도를 초기조건으로 사용하여 과도응력해석을 수행함으로써 정지 시의 충격에 의한 응력을 구하였다.
- 5. 도출된 마운트의 설계개선안을 반영하여 제작된 프론트 로더 시작품을 트랙터에 장착하여 충격시험을 실시하였다. 시작품의 충격시험결과에서 초기설계안의 해석결과에서 나타났던 항복에 의한 영구변형이 발생하지 않는 것을 확인할 수 있었다.
- 도출된 설계개선안에 대하여 세 가지의 충격시험(낙하정지시험, 코너당김시험, 코너충돌시험) 조건을 해석하기 위하여 강체동해석(rigid body dynamic analysis), 과도구조해석(transient structural analysis), 정적구조해석(static structural analysis) 등을 수행하였다. 그리고 충격시험 조건의 해석결과로부터, 초기설계안에서 나타난 국부적 응력집중이 설계개선안에서 어느 정도로 저감되는지를 고찰하고 최대응력을 항복강도와 비교하여 각 부품의 안전성을 평가하였다.
- 설계개선안의 프론트 로더 유한요소모델은 앞 절에서 설명한 것과 같으며, 트랙터 본기는 형상을 단순화하여 강체로 모델링하고, 트랙터 본기의 질량 (3,457 kg)을 무게중심에 위치한 집중질량으로 모델링하였다. 그리고 타이어는 지면과 4개의 휠 사이에 스프링요소로 모델링하였다. 트랙터가 정지한 상태에서 각 타이어에 걸리는 반력 및 타이어 반경의 압축량을 측정하고, 반력을 압축량으로 나누어 스프링요소의 강성계수를 계산하였다[2].
- 다음은 2단계 해석으로 낙하 후의 정지에 대하여 ANSYS로 과도구조해석을 수행하였다. Fig.
- 본 연구에서는 90 kW급 농업용 트랙터 프론트 로더의 초기설계안에서 나타난 마운트의 응력집중을 줄이기 위한 설계개선안 도출과 충격시험 조건에서의 안전성 평가를 다루고자 한다. 도출된 설계개선안에 대하여 세 가지의 충격시험(낙하정지시험, 코너당김시험, 코너충돌시험) 조건을 해석하기 위하여 강체동해석(rigid body dynamic analysis), 과도구조해석(transient structural analysis), 정적구조해석(static structural analysis) 등을 수행하였다. 그리고 충격시험 조건의 해석결과로부터, 초기설계안에서 나타난 국부적 응력집중이 설계개선안에서 어느 정도로 저감되는지를 고찰하고 최대응력을 항복강도와 비교하여 각 부품의 안전성을 평가하였다.
- 복잡한 형상의 프론트 로더 구조에 따라 수반될 수밖에 없는 해석 시간을 단축하기 위하여 해석을 두 단계로 나누어 수행하였다. 1단계 해석에서는 프론트 로더의 낙하에 대한 강체 동역학 해석을 수행하여 정지 직전의 각 부품의 속도를 구하였다.
- 본 연구에서 도출된 마운트의 설계개선안을 반영하여 프론트 로더 시작품이 제작되었으며, 트랙터에 시작품을 장착하여 충격시험을 실시하였다.
- 이 절의 코너당김시험과 다음 절의 코너충돌시험 조건의 해석 시에는 프론트 로더만을 해석한 낙하 충격시험 조건과 달리 트랙터 본기도 해석모델에 포함하였다. 설계개선안의 프론트 로더 유한요소모델은 앞 절에서 설명한 것과 같으며, 트랙터 본기는 형상을 단순화하여 강체로 모델링하고, 트랙터 본기의 질량 (3,457 kg)을 무게중심에 위치한 집중질량으로 모델링하였다. 그리고 타이어는 지면과 4개의 휠 사이에 스프링요소로 모델링하였다.
- 7에 나타낸 바와 같이 낙하 시 붐 실린더와 피스톤 사이의 상대변위가 필요하다. 실제 낙하충격시험 시의 붐 실린더와 피스톤 사이의 상대변위를 정량화하기 위하여, 기존의 70 kW급 트랙터에 대하여 낙하정지시험을 실시하여 붐 실린더와 피스톤 사이의 상대변위를 측정하였다. 버켓을 최대높이까지 들어 올린 상태에서 첫 번째 낙하 후 정지시켰을 때 지면으로부터 버켓의 높이는 2,044 mm, 붐 실린더와 피스톤 사이의 상대변위는 264 mm로 측정되었다 .
- 운전자 기준 좌측에 충격장애물이 위치한 상태의 코너충돌시험 조건을 해석하였다. 충격장애물을 버켓의 좌측 모서리 전방에 위치시키고 트랙터에 8 km/h의 속도를 초기조건으로 적용하여 과도구조해석을 수행하였다.
- 체인으로 지지된 버켓을 상승시킬 때 붐 실린더 내부의 압력은 0에서 18까지 증가하게 된다. 이를 고려하여 코너당김시험 조건의 해석은 붐 실린더 내부에 최대압력 (18 MPa)이 일정하게 작용하는 보수적인 조건의 정적구조해석으로 평가하였다.
- 프론트 로더 제조업체는 신제품 개발 단계에서 충격에 대해 안전하게 구조를 설계하여 주요 부품들이 파손될 가능성이 없게 해야 한다. 이를 위하여 신제품 개발 중에 수차례 시작품 (prototype)을 제작하고 충격시험을 실시하여 안전성을 평가한다. 일반적으로 프론트 로더의 충격시험으로는 낙하정지시험(drop and catch test), 코너당김시험(corner pull test), 코너충돌시험(corner push test)의 세 가지 시험을 실시하게 된다[2].
- 이상의 경계조건을 사용하여 본기를 제외하고 프론터 로더만을 대상으로 하여 ANSYS Workbench[12]를 사용하여 1단계의 강체 동역학 해석을 수행하였다. Fig.
- 체인의 특성을 고려하기 위해 스프링요소로 모델링하였다. 스프링요소의 강성계수를 구하기 위하여 Fig.
- 운전자 기준 좌측에 충격장애물이 위치한 상태의 코너충돌시험 조건을 해석하였다. 충격장애물을 버켓의 좌측 모서리 전방에 위치시키고 트랙터에 8 km/h의 속도를 초기조건으로 적용하여 과도구조해석을 수행하였다. 충격장애물의 충돌면과 버켓의 모서리 사이에는 무마찰 접촉조건을 부여하였으며, 버켓 실린더와 붐 실린더에서 실린더와 피스톤 사이의 상대변위는 구속하였다.
- 충격장애물을 버켓의 좌측 모서리 전방에 위치시키고 트랙터에 8 km/h의 속도를 초기조건으로 적용하여 과도구조해석을 수행하였다. 충격장애물의 충돌면과 버켓의 모서리 사이에는 무마찰 접촉조건을 부여하였으며, 버켓 실린더와 붐 실린더에서 실린더와 피스톤 사이의 상대변위는 구속하였다. 과도구조해석 결과는 다음과 같이 정리된다.
- 코너당김시험 조건의 체인 위치가 운전자 기준으로 버켓의 좌측 모서리에서 50 mm위치인 경우와 버켓의 가운데인 두 가지 경우에 대하여 해석을 수행하였으며, 해석 결과는 다음과 같이 정리된다.
- 코너충돌시험에서는 버켓 밑면을 지면에서 1,203 mm 높이에 수평으로 유지한 상태에서 트랙터를 8 km/h의 속도로 주행하여 버켓의 좌측 또는 우측 모서리에 위치한 기둥 형태의 충격장애물과 충돌시킬 때의 충격을 평가하게 된다. 충격장애물 규격은 Fig.
- 그리고 타이어는 지면과 4개의 휠 사이에 스프링요소로 모델링하였다. 트랙터가 정지한 상태에서 각 타이어에 걸리는 반력 및 타이어 반경의 압축량을 측정하고, 반력을 압축량으로 나누어 스프링요소의 강성계수를 계산하였다[2]. 이렇게 구한 전륜과 후륜의 스프링요소는 각각 314 N/mm, 2,940 N/mm이다.
대상 데이터
- 자동요소생성 시에 요소 크기는 부품에 따라10 mm 또는 20 mm로 설정하였다. 모델링에 사용된 요소 종류는 20절점 2차육면체요소(20-nodes quadratic hexahedron)와 10절점 2차사면체요소(10-nodes quadratic tetrahedron)이며, 총 요소 수는 181,776개이고 총 절점 수는 327,997개이다. 2차 요소를 사용한 이유는 자동요소생성 시에 사면체요소와 육면체요소가 혼재되어 생성되므로, 1차 사면체 요소가 갖는 응력의 부정확성[13]을 피하기 위한 것이다.
- 프론트 로더를 구성하는 부품들의 재질은 SS400, S45C, STKR, SPPS, S45C이며 재료 물성치는 Table 1에 수록하였다. 특히, 프론트 로더를 본기에 체결하는 역할을 하는 주요 부품인 마운트와 후방 프레임은 판재를 절단, 절곡 및 용접하여 제작하도록 설계되었으며, Fig.
성능/효과
- 3. 설계개선안의 해석결과에서는 초기설계안에서 나타났던 마운트 부의 국부적 응력집중이 대폭적으로 저감되었다.
- 3가지의 충격시험을 수행한 후에, 마운트를 포함하여 프론트 로더의 각 부품을 검사한 결과 영구변형이 발생하지 않은 것으로 나타났다.
- 4. 설계개선안의 해석결과에서 최대응력이 발생한 위치는 낙하정지시험에서는 포스트 핀, 코너당김시험에서는 버켓, 코너충돌시험에서는 붐 실린더이며 모두 항복강도보다 작은 것을 확인하였다.
- 결론적으로 본 연구를 통하여 마운트의 초기설계 안에서 나타났던 응력집중으로 인한 항복이 제거된 것을 충격시험을 통하여 확인하였다.
- Table 2의 속도 중 대표값인 버켓 z의 축 방향 속도는 1,414 mm/s로서, 낙하정지시험 조건을 세 단계로 나누어 해석한 Lim 등[2]의 결과인 548 mm/s보다 꽤 크다. 따라서 본 연구에서 사용한 낙하 후 정지 직전의 부품들의 속도조건이 Lim 등[2]에 비해서 더 보수적이라는 것을 의미한다. 이러한 보수적인 속도조건은 앞에서 설명한대로 동역학 해석 시에 70 kW급에 대한 붐 실린더와 피스톤 사이의 상대변위 측정 결과를 사용한데서 기인한다.
- 신모델 개발을 위한 구조설계 과정에서 여러 차례 시작품을 제작하여 충격시험을 실시하게 되면 개발에 장시간과 많은 비용이 소요될 수밖에 없다. 따라서 유한요소법을 사용하여 충격시험 시에 발생하는 주요 부품의 응력을 미리 분석하여 구조설계에 반영하는 것이 효율적이다.
- 도출된 마운트의 설계개선안을 반영하여 제작된 프론트 로더 시작품을 트랙터에 장착하여 충격시험을 실시하였다. 시작품의 충격시험결과에서 초기설계안의 해석결과에서 나타났던 항복에 의한 영구변형이 발생하지 않는 것을 확인할 수 있었다.
- 15는 전체 모델의 von Mises 응력분포를 나타낸다. 전체적으로 응력 수준이 항복강도보다 작게 나타났으며, 최대응력은 177 MPa로 버켓의 체인 연결부에서 발생하였다. 특히 Fig.
- 18은 전체 모델의 von Mises 응력분포를 나타낸다. 전체적으로 응력 수준이 항복강도보다 작게 나타났으며, 최대응력은 182 MPa로 버켓의 체인 연결부에서 발생하였다. 특히 Fig.
- 11은 과도구조해석에서 최대응력이 발생한 시간에서 프론트 로더의 von Mises 응력분포를 나타낸다. 전체적으로 응력 수준이 항복강도보다 작게 나타났으며, 최대응력은 205 MPa로 포스트와 마운트의 수직부재를 연결하는 포스트 핀 위치에서 발생하였다. 최대응력 발생 위치는 운전자 기준에서 좌측 포스트 핀이지만, 우측 포스트 핀의 응력과 거의 차이가 없다.
- 22는 과도구조해석에서 최대응력이 발생한 시간에서 전체 모델의 von Mises 응력분포를 나타낸다. 전체적으로 응력 수준이 항복강도보다 작게 나타났으며, 최대응력은 249 MPa로 붐 실린더(S45C의 항복강도 : 343 MPa)에서 발생하였다.
후속연구
- 6. 본 연구에서 제시한 마운트의 설계개선안을 참고하면, 향후 신모델 프론트 로더 개발 시에 충격에 대한 안전성을 강화하는데 크게 도움이 될 것으로 기대된다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.