가공의 정밀도와 난삭재 가공이 요구되는 항공기부품용 공작기계의 헤드프레임 구조는 정밀 고속가공을 위해 경량화 및 절삭력에 의한 변형최소화가 필요하다. 본 논문에서는 고강성 경량화 구조 최적설계를 위해 유한요소해석을 수행하여 초기형상을 설계하였고, 컴플라이언스를 최소화하여 경량, 고강성 및 저진동 구조의 위상 최적화 설계를 수행하였다. 최적화 설계결과 프레임 중량은 17.3% 감소되었고, 최대 처짐량은 0.007 mm 이하, 고유진동수는 30.6% 증가되었다. 구조 정강성은 각 축 방향으로 증가되었고, 동강성은 축에 따라 상반된 결과를 나타내었다. 위상 최적화 설계 구조에서 저진동의 고강성을 갖는 최적화된 구조를 확인하였다.
가공의 정밀도와 난삭재 가공이 요구되는 항공기부품용 공작기계의 헤드프레임 구조는 정밀 고속가공을 위해 경량화 및 절삭력에 의한 변형최소화가 필요하다. 본 논문에서는 고강성 경량화 구조 최적설계를 위해 유한요소해석을 수행하여 초기형상을 설계하였고, 컴플라이언스를 최소화하여 경량, 고강성 및 저진동 구조의 위상 최적화 설계를 수행하였다. 최적화 설계결과 프레임 중량은 17.3% 감소되었고, 최대 처짐량은 0.007 mm 이하, 고유진동수는 30.6% 증가되었다. 구조 정강성은 각 축 방향으로 증가되었고, 동강성은 축에 따라 상반된 결과를 나타내었다. 위상 최적화 설계 구조에서 저진동의 고강성을 갖는 최적화된 구조를 확인하였다.
The head frame structure of a machine tool for aircraft parts, which requires machining precision and machining of difficult-to-cut materials is required to be light-weighted for precision high-speed machining and to minimize possible deformation by cutting force. To achieve high stiffness and for l...
The head frame structure of a machine tool for aircraft parts, which requires machining precision and machining of difficult-to-cut materials is required to be light-weighted for precision high-speed machining and to minimize possible deformation by cutting force. To achieve high stiffness and for light-weight structure optimization design, a preliminary model was designed based on finite element analysis. The topology optimization design of light-weight, high stiffness, and low vibration frame structure were performed by minimizing compliance. As a result, the frame weight decreased by 17.3%, the maximum deflection was less than 0.007 mm, and the natural frequency increased by 30.6%. The static stiffness was increased in each axis direction and the dynamic stiffness exhibited contrary results according to the axis. Optimized structure with the high stiffness of low vibration in topology optimization design was confirmed.
The head frame structure of a machine tool for aircraft parts, which requires machining precision and machining of difficult-to-cut materials is required to be light-weighted for precision high-speed machining and to minimize possible deformation by cutting force. To achieve high stiffness and for light-weight structure optimization design, a preliminary model was designed based on finite element analysis. The topology optimization design of light-weight, high stiffness, and low vibration frame structure were performed by minimizing compliance. As a result, the frame weight decreased by 17.3%, the maximum deflection was less than 0.007 mm, and the natural frequency increased by 30.6%. The static stiffness was increased in each axis direction and the dynamic stiffness exhibited contrary results according to the axis. Optimized structure with the high stiffness of low vibration in topology optimization design was confirmed.
형상 구조 최적화에 관한 연구로 Kang은 쿼드틸트 무인기에 적용되는 포롭로터블레이드 형상 최적설계를 수행하였으며[2], Lee는 수직이착륙 무인기 스키드 착륙장치 최적설계 결과를 바탕으로 기존의 스키드 착륙장치에 비해 무게감소 효과를 만족하는 결과를 발표하였다[3]. 본 연구에서는 기존의 위상 최적설계 방법을 이용한 정적변형의 특성을 고려한 구조최적설계에 고유진동수와 진동모드를 분석한 모드해석과 주기적인 가진에 대한 구조적 응답을 계산하는 주파수응답해석을 이용하여 정적 및 동적특성의 개념으로 고강성, 경량, 저진동의 최적설계 접근을 시도하였다. 헤드프레임의 처짐량을 최적화의 목적함수로 선정하고 기준치인 허용값을 부여하였다.
제안 방법
헤드프레임의 처짐량을 최적화의 목적함수로 선정하고 기준치인 허용값을 부여하였다. 목표 중량에 대한 제한조건을 설정하여 최적화 문제를 정식화 하도록 하였다.
본 연구에서는 기존의 위상 최적설계 방법을 이용한 정적변형의 특성을 고려한 구조최적설계에 고유진동수와 진동모드를 분석한 모드해석과 주기적인 가진에 대한 구조적 응답을 계산하는 주파수응답해석을 이용하여 정적 및 동적특성의 개념으로 고강성, 경량, 저진동의 최적설계 접근을 시도하였다. 헤드프레임의 처짐량을 최적화의 목적함수로 선정하고 기준치인 허용값을 부여하였다. 목표 중량에 대한 제한조건을 설정하여 최적화 문제를 정식화 하도록 하였다.
대상 데이터
본 논문의 해석모델은 베드와 테이블을 제외한 C형구조의 컬럼 이송식 공작기계로 Fig. 1과 같은 구조로 이루어져 있으며, 2,535 mm x 1,245 mm x 1,940mm의 크기를 갖고 있다.
데이터처리
Table 3에서는 위상 최적화 해석 결과를 바탕으로 설계되어진 최적화 헤드프레임의 모델링 데이터를 나타내었다. 개선설계된 최적화 형상모델의 효과를 검증하기 위해 구조해석을 수행하였다. 해석에 적용된 하중조건과 경계조건은 Figure 2 및 Fig.
본 논문에서는 헤드프레임의 초기 및 최적화 모델의 동특성을 파악하기 위해 모달법을 이용한 주파수 응답해석을 수행하였다.
선형진동계의 모드해석은 진동시스템의 고유진동수 파악과 공진에서 최대진폭과 진동형상을 분석하는데 필요한 해석이다. 정적변형에 대해 위상최적설계 되어진 헤드프레임에 대해 동적특성인 고유진동수와 진동모드를 분석하기 위해 초기 및 최적화 모델에 대하여 모드해석을 수행하였다.
성능/효과
(1) 위상 최적화 해석결과를 토대로 최적화설계 된 헤드프레임 모델의 중량은 363 kg으로 초기설계 된 모델의 중량 439.2 kg에 비해 76.2 kg(17.3%) 감소된 구조를 형성하였으며, 처짐량은 설계 제한조건 이내인 0.007 mm로 만족한 결과를 얻을 수 있었다.
(2) 초기 및 최적화 모델의 1차 모드 고유진동수는 217.93 Hz와 313.91 Hz로 12,000 rpm 인 최대운전속도의 범위에 해당되는 200 Hz의 범위에 포함되지 않으며, 초기 모델보다 최적화 모델의 고유진동수가 30.6% 더 높은 고유진동수를 가지므로 구조적으로 더 안전한 고강성 구조라고 할 수 있었다.
(3) 컴플라이언스 응답해석 결과로 부터 초기설계대비 구조 정강성이 X, Y, Z 방향으로 각각 473.2%, 2.9%, 53.5% 씩 증가되었고, 동강성은 X 방향으로 30.9% 증가되나 Y, Z 방향으로 각각 –11.6%,-49.3% 씩 감소되었다. 저진동의 최적화된 구조를 위해서 동강성 해석에 대한 계속적인 연구의 필요성을 확인 할 수 있다.
후속연구
3% 씩 감소되었다. 저진동의 최적화된 구조를 위해서 동강성 해석에 대한 계속적인 연구의 필요성을 확인 할 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
최적화 설계결과 요소의 변화량은?
본 논문에서는 고강성 경량화 구조 최적설계를 위해 유한요소해석을 수행하여 초기형상을 설계하였고, 컴플라이언스를 최소화하여 경량, 고강성 및 저진동 구조의 위상 최적화 설계를 수행하였다. 최적화 설계결과 프레임 중량은 17.3% 감소되었고, 최대 처짐량은 0.007 mm 이하, 고유진동수는 30.6% 증가되었다. 구조 정강성은 각 축 방향으로 증가되었고, 동강성은 축에 따라 상반된 결과를 나타내었다. 위상 최적화 설계 구조에서 저진동의 고강성을 갖는 최적화된 구조를 확인하였다.
항공기부품용 공작기계의 헤드프레임 구조에 필요한 것은?
가공의 정밀도와 난삭재 가공이 요구되는 항공기부품용 공작기계의 헤드프레임 구조는 정밀 고속가공을 위해 경량화 및 절삭력에 의한 변형최소화가 필요하다. 본 논문에서는 고강성 경량화 구조 최적설계를 위해 유한요소해석을 수행하여 초기형상을 설계하였고, 컴플라이언스를 최소화하여 경량, 고강성 및 저진동 구조의 위상 최적화 설계를 수행하였다.
항공부품가공산업에 필요한 것은?
항공부품가공산업은 완벽한 품질과 엄격한 안정성이 요구되는 만큼 문제가 발생하면 공정 전 과정을 추적하여 원인을 규명하고 개선해야 하므로 가공 신뢰도 수준이 매우 높아진 현실이다. 또한, 에너지 과소비형 장비구조와 운영특성을 경량설계를 통한 에너지 효율이 증대된 고신뢰 공작기계 개발이 필요하다. 공작기계 구조를 최적화 하는 방법은 운동요소가 갖고 있는 정∙동강성은 유지하면서 중량을 최소화하는 위상최적화 설계기법을 통하여 중량감소효과를 얻을 수 있다[1].
참고문헌 (8)
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M. G. Kim, S. H. Lee, I. J. Jeong, H. S. Choi, Y. D. Kwon, Y. S. Pyoun and S. S. Lee, "A Study on Topology Optimization of the Traveling Decelerator Gear Carrier", J Korean Soc. Precis. Enq. Vol. 2008, No. 6, pp. 723-724, June, 2008.
J. W. Park, D. S. Kang, S. M. Tak, J. K. Kim, C. K. Song, S. S. Lee, and J. W. Park, " Topology Optimization of a Transmission Case", Journal of The KSPE, Vol. 27, No. 11, pp. 57-62, November, 2010.
H. W. Shin, and Y. J. Chung, "Dynamic Stiffness and Frequency Response Analysis for the Development of Magnesium Oil Pans", Transactions of KSAE, Vol. 17, No. 2, pp. 141-149, 2009.
T. M. Cho, E. K. Lee, H. I. Seo and K. H. Rim, "Mode Truncation Method in Frequency", Trans Response Analysis", Journal of The Korean Institute of Intelligent Systems, Vol. 12, No. 1, pp. 39-43, 2002.
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