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문제 정의
- 본 연구에서는 차량의 경량화를 위해 고안된 스페이스 프레임(Space frame)에 있어 Fig. 1 [6] 과 같이 프레임 간 연결을 위한 노드(Node) 부품을 대상으로 최적의 형상과 경량화를 도출하고자 한다. 적층 제조특화설계를 수행하기 위해 위상최적화 기법을 적용하여 최적의 형상을 제안하고, 제안 형상을 바탕으로 형상최적화를 통해 경량화를 극대화하고자 한다.
- 적층 제조특화설계를 수행하기 위해 위상최적화 기법을 적용하여 최적의 형상을 제안하고, 제안 형상을 바탕으로 형상최적화를 통해 경량화를 극대화하고자 한다. 구조해석을 통한 강도와 피로한도에 대한 신뢰성 확보까지의 제품 설계 전주기에 대한 내용을 다루고자 한다.
- 실제 모델에서의 검증에 앞서 모서리에서 응력집중을 피하기 위해 라운딩(Rounding) 설 계를 추가하고 하중 적용 부위의 두께를 추가하여 재설계 하였다. 이때 응력이 나타나지 않는 비하중 영역의 경우 제거를 통해 추가 경량화를 달성하고자 하였다. 따라서 최종적으로 제품 생산을 위한 모델은 Fig.
- 본 연구에서는 차량 경량화를 위해 제안된 스페이스 프레임의 노드부품을 최적화 설계하였다. 위상 최적화와 형상최적화 방법을 순차적으로 적용하여 노드부품의 최적설계안을 도출하였다.
- 여기서 단순화 된 형상 변수를 두께로 두고 구조의 강도를 제약조건으로 형상 최적설계를 수행가능하다. 따라서 경량화를 목적으로 하는 최적설계를 통해 실제 제품보다 가벼운 노드 부품을 설계하였다.
제안 방법
- 1 [6] 과 같이 프레임 간 연결을 위한 노드(Node) 부품을 대상으로 최적의 형상과 경량화를 도출하고자 한다. 적층 제조특화설계를 수행하기 위해 위상최적화 기법을 적용하여 최적의 형상을 제안하고, 제안 형상을 바탕으로 형상최적화를 통해 경량화를 극대화하고자 한다. 구조해석을 통한 강도와 피로한도에 대한 신뢰성 확보까지의 제품 설계 전주기에 대한 내용을 다루고자 한다.
- 해당 부품은 알루미늄으로 적층될 예정이며 해당 소재의 경우 서포터(Support) 없이 적층되기 위해 가지는 최소한의 적층각도(Overhang angle) 가 45°인 조건으로 설정하였다.
- 1은 차량의 스페이스 프레임 구조를 단순화된 구조로 나타내고 있으며 압출부와 노드 부품으로 구분하고 있다. 본 과정에서는 쇽업쇼버 마운팅 (Shock absorber mounting)에 해당하는 노드 부품을 대상으로 위상최적화를 수행하고 힘 전달 경로를 획득하여 개념설계를 수행하였다. 위상최적화를 수행하기 위한 해석 소프트웨어로 ANSYS의 Topology Optimization Tool을 활용하였다.
- 기존의 차량은 일반적으로 모노코크(Monocoque) 구조인 판재로 설계되어있다. 위상최적화를 수행하기 위해 설계 영역은 체적을 가지도록 설계하였으며, 설계영역 자체의 크기에 따른 제약 조건을 완화하고 최적화의 자유도를 높이기 위해 보다 큰 형상으로 설계영역을 지정하였다. Fig.
- 3에 나타낸 하중이력 데이터 중 최댓값을 기준으로 설정하 였으며, 동일 시점의 직교좌표의 각 성분 값으로 방향을 결정하였다. 또한 쇽업쇼버의 체결위치를 설계 회피영역으로 지정하여 최종 위상최적화의 설계 영역을 결정하였다.
- 앞서 언급한 적층제조특화 설계를 기반으로 위상최적화를 수행하기 위해 설계 문제에 대한 제약 조건으로 적층각 구속조건(Overhang constraint)을 설정하였다. 해당 부품은 알루미늄으로 적층될 예정이며 해당 소재의 경우 서포터(Support) 없이 적층되기 위해 가지는 최소한의 적층각도(Overhang angle) 가 45°인 조건으로 설정하였다.
- 해당 부품은 알루미늄으로 적층될 예정이며 해당 소재의 경우 서포터(Support) 없이 적층되기 위해 가지는 최소한의 적층각도(Overhang angle) 가 45°인 조건으로 설정하였다. 개념설계를 수행하기 위한 위상최적화 시 목적함수는 컴플라이언스 (Compliance) 최소화로 설정하였고, 제약조건으로 질량 분율(Mass fraction)을 0.15로 수행하였다.
- 4에 나타내었다. 개념설계에서 노드 부품을 상세히 구분하기 위해 부분 구조의 종횡비가 큰부분을 압출부재(Extrusion member)로 구분하였고 쇽업쇼버와 체결 되는 부위를 노드 부품으로 선정 하였다.
- 형상 최적화 이전에 구조안전성을 사전에 검증하고 소재가 가지는 기계적 특성의 한계 내에서 최대한 경량화하기 위하여 정형화 모델의 강도 해석을 수행하였다. 적층 방향에 따라 평가된 기계적 물성 데이터를 활용하였으며, 보수 설계를 위해 최솟값을 기준으로 하였다.
- 5 MPa로 항복강도(Yield strength)의 32%에달하는 수준이나 소재는 피로강도(Fatigue strength) 가 90 MPa로 근접함을 보였다. 따라서 피로강도를 기준으로 형상최적화의 제약조건을 작성하였다.
- 이때 대상의 하단 부 체결 위치를 안쪽으로 변경하여 크기를 더 줄일 수 있도록 하였다. 두께를 최적화하기 위해 쉘 모델을 기존 두께 영역별로 구분하여 형상 변수를 최적화 변수로 두었다. 피로강도 90 MPa이하로 하는 제약조건과 전체 질량 최소화를 목적함 수로 수행하여 Fig.
- 두께를 최적화하기 위해 쉘 모델을 기존 두께 영역별로 구분하여 형상 변수를 최적화 변수로 두었다. 피로강도 90 MPa이하로 하는 제약조건과 전체 질량 최소화를 목적함 수로 수행하여 Fig. 8과 같이 두께 최적화 결과를 도출 하였다. 기존 정형화 모델의 경우 3D CAD에서 확인한 결과 7.
- 위상 최적화 및 형상 최적화를 통해 설계된 경량화 노드 부품의 모델을 정적 구조해석을 통해 강도 신뢰성을 검증해 보았다. 2차원 쉘 모델의 경우 피로 강도의 제약조건으로 최대 90 MPa의 응력이 확인 되었으며, 모서리 및 하중 적용 위치에서 다소 높게 나타남을 확인 하였다.
- 응력의 분포는 위상최적화의 결과로 힘 전달경로에 따라 고르게 분포함을 확인할 수있다. 실제 모델에서의 검증에 앞서 모서리에서 응력집중을 피하기 위해 라운딩(Rounding) 설 계를 추가하고 하중 적용 부위의 두께를 추가하여 재설계 하였다. 이때 응력이 나타나지 않는 비하중 영역의 경우 제거를 통해 추가 경량화를 달성하고자 하였다.
- 위상 최적화와 형상 최적화를 통해 스페이스프레임의 노드 부품으로 활용될 제품을 설계하였다. 설계 대상으로 이루어진 자체 프레임은 쇽업 쇼버 마운팅을 대상으로 하고 있으며 기능적으로 동일한 역할을 수행하는 영역의 프레임과 비교한 내용을 Fig.
- 적층 제조를 통해 획득한 제품의 경우 표면조도가 좋지 않음에 따라 보수적으로 확인하기 위해 표면조도 Ra > 75 로 적용하였다.
- 피로수명의 내용을 검증하기 위해 설계된 제품을 실제 제작하였으며 피로시험을 수행하였다. Fig.
- 본 연구에서는 차량 경량화를 위해 제안된 스페이스 프레임의 노드부품을 최적화 설계하였다. 위상 최적화와 형상최적화 방법을 순차적으로 적용하여 노드부품의 최적설계안을 도출하였다. 신뢰성 검증을 위한 강도해석을 수행하였고 실제 제품을 제작한 후 피로시험을 통해 신뢰성을 검증하였다.
- 위상 최적화와 형상최적화 방법을 순차적으로 적용하여 노드부품의 최적설계안을 도출하였다. 신뢰성 검증을 위한 강도해석을 수행하였고 실제 제품을 제작한 후 피로시험을 통해 신뢰성을 검증하였다. 각 과정에 대한 결론은 다음과 같다.
- 위상 최적화 해석 결과를 토대로 힘 전달경로에 대한 개념설계안을 도출 가능하며 하중조건과 상세 위상최적화를 통해 강성확보 및 경량화 도출 가능한 설계안을 얻을 수 있었다. 경계조건에 따라 다양한 형상으로 도출되는 모델을 통합하여 최적의 설계안을 제안하였다.
- 6. 본 연구를 통해 위상 최적화와 형상 최적화를순차적으로 적용함에 따라 더욱 향상된 성능의 차체 부품 설계가 가능하며 그 설계 과정을 제안하였다. 이를 토대로 다양한 영역의 차체 부품에 최적화를 진행하여 성능이 향상된 차체 설계안을 추가 제시 할 수 있을 것으로 사료된다.
- 2에 모노코크 차체 모델과 같이 설계 영역(Design space)을 나타내었다. 차체 모델과 같이 표현된 설계 영역에서 기존 모노코크 프레임의 주요 부재와 체결되는 위치를 경계조건으로 적용하였으며, 모노코크 프레임의 쇽업쇼버로 부터 인가되는 힘을 측정하여 하중조건으로 설정하였다. 하중의 크기는 Fig.
- 5는 압출부재와 노드부품으로 구분된 영역을 상세 위상최적화하기 위해 재설계된 모델을 나타낸다. 상세 위상최적화를 위해 모델은 압출부재와 연결되는 위치를 경계조건으로 두었으며 하중의 경우 개념설계와 동일하게 쇽업쇼버로부터 인가되는 하중방향으로 설정하였다.
대상 데이터
- 적층 방향에 따라 평가된 기계적 물성 데이터를 활용하였으며, 보수 설계를 위해 최솟값을 기준으로 하였다. 적층할 소재는 알루미늄으로 EOS 社의 ALSi10Mg 를 사용하였으며 기계적 물성은 Table 2에 나타내었다. 강도 해석의 결과, 등가응력(von_Mises Stress) 기준 72.
- 위상 최적화와 형상 최적화를 통해 스페이스프레임의 노드 부품으로 활용될 제품을 설계하였다. 설계 대상으로 이루어진 자체 프레임은 쇽업 쇼버 마운팅을 대상으로 하고 있으며 기능적으로 동일한 역할을 수행하는 영역의 프레임과 비교한 내용을 Fig. 12에 나타내었다. Fig.
- 피로 해석에 적용된 하중의 경우 실차 주행 시험의 결과로 획득한 벨지안 하중이력 데이터를 이용하여 정의되었다. 적층 제조를 통해 획득한 제품의 경우 표면조도가 좋지 않음에 따라 보수적으로 확인하기 위해 표면조도 Ra > 75 로 적용하였다.
데이터처리
- 형상 최적화 이전에 구조안전성을 사전에 검증하고 소재가 가지는 기계적 특성의 한계 내에서 최대한 경량화하기 위하여 정형화 모델의 강도 해석을 수행하였다. 적층 방향에 따라 평가된 기계적 물성 데이터를 활용하였으며, 보수 설계를 위해 최솟값을 기준으로 하였다. 적층할 소재는 알루미늄으로 EOS 社의 ALSi10Mg 를 사용하였으며 기계적 물성은 Table 2에 나타내었다.
이론/모형
- 본 과정에서는 쇽업쇼버 마운팅 (Shock absorber mounting)에 해당하는 노드 부품을 대상으로 위상최적화를 수행하고 힘 전달 경로를 획득하여 개념설계를 수행하였다. 위상최적화를 수행하기 위한 해석 소프트웨어로 ANSYS의 Topology Optimization Tool을 활용하였다.
- 8과 같이 형상 변수를 선정 하기 위해 단순한 기하형상으로 정형화 하며 위상 최적화의 결과에 따라 힘 전달경로를 포함하도록 설계 되었다. 형상 최적화를 수행하기 위해 Altair Hyperworks의 Optistruct tool을 활용하였다.
- 14 [8] 의 결과를 적용하였다. 피로수명 예측을 위해 Abaqus의 Fe-safe 해석 소프트웨어를 사용하였다.
성능/효과
- Fig. 7(c)는 위상최적화의 결과와 정형화 모델의 비교로 해석 결과를 충분히 포함하는 재설계가 이루어짐을 확인 할 수 있다.
- 적층할 소재는 알루미늄으로 EOS 社의 ALSi10Mg 를 사용하였으며 기계적 물성은 Table 2에 나타내었다. 강도 해석의 결과, 등가응력(von_Mises Stress) 기준 72.5 MPa로 항복강도(Yield strength)의 32%에달하는 수준이나 소재는 피로강도(Fatigue strength) 가 90 MPa로 근접함을 보였다. 따라서 피로강도를 기준으로 형상최적화의 제약조건을 작성하였다.
-
8과 같이 두께 최적화 결과를 도출 하였다. 기존 정형화 모델의 경우 3D CAD에서 확인한 결과 7.497 kg이였으며 형상최적화를 통해 2.371 kg으로 68.3% 경량화 됨을 확인하였다.
- 위상 최적화 및 형상 최적화를 통해 설계된 경량화 노드 부품의 모델을 정적 구조해석을 통해 강도 신뢰성을 검증해 보았다. 2차원 쉘 모델의 경우 피로 강도의 제약조건으로 최대 90 MPa의 응력이 확인 되었으며, 모서리 및 하중 적용 위치에서 다소 높게 나타남을 확인 하였다. 구조해석의 결과는 Fig.
- Fig. 11에 나타난 최종 제품의 강도해석 검증을 통해 등가응력의 경우 최대 78.5 MPa이 나타남을확인 하였으며, 최대 주축방향 응력(Maximum principal stress)의 경우 89 MPa로 확인되었다. 종합 적으로 피로강도에 미치지 않는 응력결과로 피로수 명의 경우 무한 수명으로 예측되며, 강도 또한 기능적 요구사항에 맞도록 설계됨을 확인하였다.
- 5 MPa이 나타남을확인 하였으며, 최대 주축방향 응력(Maximum principal stress)의 경우 89 MPa로 확인되었다. 종합 적으로 피로강도에 미치지 않는 응력결과로 피로수 명의 경우 무한 수명으로 예측되며, 강도 또한 기능적 요구사항에 맞도록 설계됨을 확인하였다.
- Fig.12(b)는 개발된 설계 제품을 나타내며 중량은 2,874g으로 대상제품 대비 10.3% 경량화 됨을 확인하였다.
- 실제 적층된 제품의 경우 평균 10 정도로 수명은 해석 보다 길게 확인될 수 있다. 알고리즘은 Goodman의 평균응력 수정법으로 수명을 예측하였으며 해석결과 106 Cycle 이상인 무한수명으로 확인되었다.
- 1. 위상 최적화 해석 결과를 토대로 힘 전달경로에 대한 개념설계안을 도출 가능하며 하중조건과 상세 위상최적화를 통해 강성확보 및 경량화 도출 가능한 설계안을 얻을 수 있었다. 경계조건에 따라 다양한 형상으로 도출되는 모델을 통합하여 최적의 설계안을 제안하였다.
- 2. 위상 최적화를 통해 얻은 모델을 포함하도록 모델을 정형화하여 재설계함에 따라 형상 변수를 단순화 할 수 있다. 여기서 단순화 된 형상 변수를 두께로 두고 구조의 강도를 제약조건으로 형상 최적설계를 수행가능하다.
- 3. 강도해석의 검증을 통해 모서리 부위와 응력이 크게 발생하는 부위를 사전에 보강 할 수 있으며, 응력이 발생하지 않는 비하중 영역의 경우 제거를 통해 추가 경량화를 달성 할 수 있다.
- 5. 최종적으로 제작한 노드부품의 경우 실제 대상으로 하는 차체 프레임 대비 10.3%의 경량화를 달성하였고 기능적으로 동일한 역할 수행이 가능하다.
후속연구
- 자동차 산업의 경우, 대표적인 소품종 대량생산 분야였으나 고성능, 개인맞춤형, 전기차 등과 같은 차량 생산의 트렌드 변화에 따라 점점 다품종 소량 생산으로 전환되고 있다 [5] . 이러한 경량화와 다품종 소량 생산 문제를 해결하기 위해 자동차 산업에서는 3D 프린팅의 기술은 더욱 더 많이 활용되고 도입할 것으로 전망된다.
- 본 연구를 통해 위상 최적화와 형상 최적화를순차적으로 적용함에 따라 더욱 향상된 성능의 차체 부품 설계가 가능하며 그 설계 과정을 제안하였다. 이를 토대로 다양한 영역의 차체 부품에 최적화를 진행하여 성능이 향상된 차체 설계안을 추가 제시 할 수 있을 것으로 사료된다.
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