[논문]경사 면 보정 장치의 구조 설계에 관한 연구

김정화; 이도영

doi:10.14775/ksmpe.2021.20.03.033

문제 정의

4. 본 연구에서는 경사 면 보정 장치의 안전성을 검토하였다 . 하지만 해당 제품은 안전성 뿐 아니라 , 질량도 설계에서 굉장히 중요한 요소이다 .
여러 응력 , 질량을 고려한 최적화 설계를 진행하고자 하였다 . 본 연구에서는 경사면 보정 장치의 초기 설계에 대한 수치해석을 실시하여 , 안정성 평가를 실시하고 , 설계변경을 통한 충분한 강성을 확보한 후 수치해석을 통해 추가적인 검증을 통해 안정성을 확인하고자 한다.^[1]
따라서 초기 설계 단계에서 경사면 보정 장치의 하중을 고려하여 수치해석을 진행하여 안정성 평가를 하고 . 여러 응력 , 질량을 고려한 최적화 설계를 진행하고자 하였다 . 본 연구에서는 경사면 보정 장치의 초기 설계에 대한 수치해석을 실시하여 , 안정성 평가를 실시하고 , 설계변경을 통한 충분한 강성을 확보한 후 수치해석을 통해 추가적인 검증을 통해 안정성을 확인하고자 한다.
지금까지 경사 면 보정 장치의 초기 설계를 바탕으로 안전율 확보를 위한 연구를 하였다 . 그 결과는 다음과 같다.

가설 설정

관성력과 감쇠력이 무시가 되고 , 작용하중이 시간에 따라 변화하지 않으므로 정적해석의 지배 방정식은 식 (2) 와 같이 표현할 수 있다 . 정적해석에서는 구조물이 정적인 평형상태를 유지하여야 하므로 , 하중이 동적인 효과를 유발하지 않도록 아주 천천히 가해지는 것으로 가정으로 한다 . 현업에서는 작용하중( 실제로는 반복하중 , cycle load) 의 진동수가 구조물의 가장 낮은 고유진동수의 1/4 이하이면 정적하중으로 취급한다.

제안 방법

3. Level Plate, Center Bar 는 응력집중 부위에 보강판을 이용하여 강성을 확보하였으며 , Pin 은 직경을 키워서 강성을 확보하였다 . 그 결과 모든 부품이 설계 안전율 기준을 만족할 수 있었다.
8 은 Level Plate 에 대한 구조개선 검토 결과이다 . 강성 확보를 위해 보강 판을 추가하였고 , 그로 인해 공간적인 문제가 발생하여 가로 방향 형상 길이를 더 확보하였다 . 그리고 Pin(F) 와 Pin(R) 의 직경이 굵어져서 구멍의 크기를 키웠고 , Pin 조립 구멍 근처에 응력이 집중되는 현상을 보여서 보강을 실시하였다 .
9 는 Center Bar 에 대한 구조개선 검토 결과이다 . 강성확보를 위해 핀과 접촉하는 판재의 두께를 추가 확보하였고 , 보강 판을 추가 하여 강성을 높였다 . 그로 인해 설계 안전율을 0.
0 미만이었다 . 그래서 형상 변경을 통하여 강성을 확보하고자 하였고 , 목표는 안전율 2.0 이상으로 하였다 . Fig.
강성 확보를 위해 보강 판을 추가하였고 , 그로 인해 공간적인 문제가 발생하여 가로 방향 형상 길이를 더 확보하였다 . 그리고 Pin(F) 와 Pin(R) 의 직경이 굵어져서 구멍의 크기를 키웠고 , Pin 조립 구멍 근처에 응력이 집중되는 현상을 보여서 보강을 실시하였다 . 설계 변경 후해 석 결과 형상에 의한 강성 증가로 인해 설계 안전율을 0.
경사면 보정 장치는 이러한 모듈 형 임시 교량을 가설할 때 , 지면에서 모듈 형 교량의 가설 빔을 지지해 주는 장치로, 가설 시 높은 하중이 가해지며 , 지면이 평탄하지 못함으로 인한 하중의 쏠림 , 설치 시 충격 등으로 파손될 위험성이 있으며, 이에 대한 안정성 검토가 반드시 필요하다 . 따라서 초기 설계 단계에서 경사면 보정 장치의 하중을 고려하여 수치해석을 진행하여 안정성 평가를 하고 . 여러 응력 , 질량을 고려한 최적화 설계를 진행하고자 하였다 .
7 은 경사면 보정 장치의 정적 선형 해석 결과이다 . 본 연구의 대상인 경사 면 보정 장치에 적용된 소재는 연성 소재들 이므로 최대 비틀림 에너지 이론을 기반으로 한 등가 응력(Von Mises Stress) 으로 해석 결과를 표현하였다 . 해석 결과 최대 응력 집중 부위는 1903 가량의 응력이 발생하였고 , 취약 부위 설계 안전율은 0.
433 이 나왔다 . 자세한 분석을 위해 부품 별로 응력분포를 확인 하였다 . 해석 결과 및 안전율은 Fig.

대상 데이터

3 은 강체 요소로 연결된 부위를 나타내었다 . 또 경사면 보정 장치의 재질은 판재 소재는 스웨덴의 SSAB 사의 제품인 구조용 고 장력 철강재인 Strenx 1100 을 사용하였고 , 그 외 소재는 SCM440 을 사용하였다 . 해당 재질의 물성치는 Table 1 과 같다 .
2 는 간략화 된 경사면 보정 장치 모델의 요소 망 형상이다 . 육면체 요소 망을 적용하였고 , 요소 수는 2, 221, 983개 , 절점 수는 2, 091, 380 개이다 . 그리고 부품 간 연결부위는 모델 간략화를 위해 관심영역을 제외한 나머지 부위를 모두 강체 요소를 사용하여 연결하였다 .

이론/모형

수치해석을 위해 CATIA V5 를 이용하여 간략화 모델을 Fig. 1 과 같이 설계하였다 . 간략화 모델이란 수치해석에서 관심영역이 아닌 불필요한 형상을 제거하거나 , 해석에 필요한 일부 형상만 사용하여 대상 모델을 심플하게 만드는 것이다.

성능/효과

1. 경사 면 보정 장치의 특성 상 사용 중에 충격하중이 가해질 확률이 높다 . 그래서 역학적인 검토를 한 결과 충격 응력과 정적 응력간의 관계는 ≥_임으로 설계 안전율은 최소 2.
2. 간략 화된 경사 면 보정 장치의 구조해석을 실시한 결과 Level Plate, Center Bar, Pin(F), Pin(R) 4개의 부품이 설계 안전율을 만족하지 못하였다.
간략화 모델이란 수치해석에서 관심영역이 아닌 불필요한 형상을 제거하거나 , 해석에 필요한 일부 형상만 사용하여 대상 모델을 심플하게 만드는 것이다.^[2]이러한 모델 간략화를 통해 요소망의 절점과 요소 수를 줄일 수 있어 해석 시간을 줄일 수 있고 , 형상이 심플해지는 것으로 인해 요소망의 품질을 향상시킬 수 있다. 그러므로 수치해석에서 대상 모델의 간략화 작업은 필수적이다.
Level Plate, Center Bar 는 응력집중 부위에 보강판을 이용하여 강성을 확보하였으며 , Pin 은 직경을 키워서 강성을 확보하였다 . 그 결과 모든 부품이 설계 안전율 기준을 만족할 수 있었다. Table 3은 설계 변경된 부품에 대한 결과를 정리한 것이다.
경사 면 보정 장치의 특성 상 사용 중에 충격하중이 가해질 확률이 높다 . 그래서 역학적인 검토를 한 결과 충격 응력과 정적 응력간의 관계는 ≥_임으로 설계 안전율은 최소 2.0 이어야 한다는 결론을 얻었다.
그리고 Pin(F) 와 Pin(R) 의 직경이 굵어져서 구멍의 크기를 키웠고 , Pin 조립 구멍 근처에 응력이 집중되는 현상을 보여서 보강을 실시하였다 . 설계 변경 후해 석 결과 형상에 의한 강성 증가로 인해 설계 안전율을 0.686 → 2.98 로 향상시켰다 . Fig.
본 연구의 대상인 경사 면 보정 장치에 적용된 소재는 연성 소재들 이므로 최대 비틀림 에너지 이론을 기반으로 한 등가 응력(Von Mises Stress) 으로 해석 결과를 표현하였다 . 해석 결과 최대 응력 집중 부위는 1903 가량의 응력이 발생하였고 , 취약 부위 설계 안전율은 0.433 이 나왔다 . 자세한 분석을 위해 부품 별로 응력분포를 확인 하였다 .

후속연구

그리고 본 연구결과를 바탕으로 위상최적화 해석을 이용하여 강성은 유지하고 , 질량을 최소화하는 최적화 설계를 통한 연구를 이어나갈 예정이다.
하지만 해당 제품은 안전성 뿐 아니라 , 질량도 설계에서 굉장히 중요한 요소이다 . 안전성을 유지하면서 질량을 최소화 할 수 있는 연구를 추후에 추가적인 연구를 진행할 예정이다.
. 하지만 본 연구에서는 동적거동을 표현하는 특성인 관성력과 감쇠력을 무시하고 , 작용하중이 시간에 따라 변하지 않는 해석인 정적 해석 (static analysis) 을수행 할 것이다. .

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