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가설 설정
- 트롤리의 휠과 레일이 접촉하는 부분의 접촉면적은 JIS B8821(KS A1627) 규격에 의해 122.24×50 mm2이며, 수직 동하중을 접촉면으로 나눈 값인 37.52N/mm2을 수직 압력으로 가한다.
제안 방법
- 12×50 mm2의 접촉면적을 나눠 준 14 N/mm2을 수평 압력으로 가한다. 그리고 마지막으로 전체 크레인 모델의 자중을 고려하였다.
- 산업현장에서 사용되는 천장크레인 거더의 판 두께는 예전부터 경험적인 치수로 사용되어 왔으며 강도 면에서도 강건설계가 되어있다. 따라서 재료의 비용을 줄이면서 강도를 유지하는 천장크레인 거더의 판 두께를 선정하는 최적설계에 적용하였다.
- 5를 고려하여 최대 160MPa까지 제약조건을 설정하였고 σmax는 매 반복회의 최대 von-Mises 응력이다. 또한 상태변수인 ual (허용변위)의 범위도 실제 설계 시에 고려되는 거더 Span의 1/800인 34.5 mm까지 제약조건을 설정하였으며 umax는 매 반복회의 최대변위이다. 그리고, 상태변수인 pal (초기모델의 좌굴 강도)의 좌굴강도 범위도 구조물의 안전성등을 고려하여 최대수평, 수직 동하중의 1.
- 모든 설계는 JIS B8821(KS A1627) 규격을 기준으로 수행하였으며 제약조건으로는 매 반복회의 von-Mises 응력과 최대 변위가 허용응력과 허용변위를 초과하지 않도록 하였고, 천장크레인의 1차 고유진동수(4)가 초기모델보다 크게 설계하였으며, 좌굴 임계하중(5)이 최대 수평, 수직 동하중 보다 크게 설계하였다. 또한 설계변수의 변화에 따른 목적함수와 제약조건의 변화양상을 살펴봄으로써 각 판의 두께 변화가 중량과 제약조건에 미치는 영향을 고찰하였다.
- 사용하여 사각형요소로 분할하였다. 또한 크레인 레일부분은 8 절점 솔리드요소(Solid element)를 사용하여 사각형요소로 분할하였다. 요소는 등방성, 등질성, 선형탄성으로 가정하고, 유한요소모델의 절점은 12,665개이고, 요소는 11,767개로 구성되어있다.
- 수행하였다. 모든 설계는 JIS B8821(KS A1627) 규격을 기준으로 수행하였으며 제약조건으로는 매 반복회의 von-Mises 응력과 최대 변위가 허용응력과 허용변위를 초과하지 않도록 하였고, 천장크레인의 1차 고유진동수(4)가 초기모델보다 크게 설계하였으며, 좌굴 임계하중(5)이 최대 수평, 수직 동하중 보다 크게 설계하였다. 또한 설계변수의 변화에 따른 목적함수와 제약조건의 변화양상을 살펴봄으로써 각 판의 두께 변화가 중량과 제약조건에 미치는 영향을 고찰하였다.
- 본 논문에서는 마그네트 천장크레인의 경량화를 위해 사각박스형 용접구조물 형태인 거더의 좌, 우, 상, 하판과 보강판이 각각 8 mm인 판의 두께를 설계변수로 하여 중량감소를 위한 치수최적설계(1)~(3)를 수행하였다. 모든 설계는 JIS B8821(KS A1627) 규격을 기준으로 수행하였으며 제약조건으로는 매 반복회의 von-Mises 응력과 최대 변위가 허용응력과 허용변위를 초과하지 않도록 하였고, 천장크레인의 1차 고유진동수(4)가 초기모델보다 크게 설계하였으며, 좌굴 임계하중(5)이 최대 수평, 수직 동하중 보다 크게 설계하였다.
- 사각박스형 용접구조물 형태인 마그네트 천장크레인 거더의 좌, 우, 상, 하판 및 보강판의 두께에 대한 치수최적화를 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 천장크레인에 사용된 판은 길이나 넓이에 비하여 두께가 얇기 때문에 4 절점 쉘요소(Shell element )를 사용하여 사각형요소로 분할하였다. 또한 크레인 레일부분은 8 절점 솔리드요소(Solid element)를 사용하여 사각형요소로 분할하였다.
대상 데이터
- 본 논문의 크레인은 분류 중에서 Ⅳ군에 속하는 마그네트 천장크레인이며, 주행(Traversing) 최고속도는 60m/min, 횡행(Travelling) 최고속도는 100m/min이며, 최대권상하중이 20ton인 모델이며 거더와 새들의 내부에 보강판이 각각 13, 11 개가 있다. 유한요소해석(6)에 사용된 상용 프로그램은 ANSYS 5.
- 또한 크레인 레일부분은 8 절점 솔리드요소(Solid element)를 사용하여 사각형요소로 분할하였다. 요소는 등방성, 등질성, 선형탄성으로 가정하고, 유한요소모델의 절점은 12,665개이고, 요소는 11,767개로 구성되어있다.
- 천장크레인에 사용된 재료는 일반 구조용 압연강재인 SS400이며 레일(Rail)은 37A(37 kg/m)을 사용하였고, 기계적 성질과 천장크레인의 거더와 새들의 주요부위 치수는 Table 1, 2에 나타내었다.
데이터처리
- 있다. 유한요소해석(6)에 사용된 상용 프로그램은 ANSYS 5.6(7),(8)을 이용하였고, 천장크레인의 구조와 명칭은 Fig. 1에 나타내었다.
성능/효과
- 1) 마그네트 천장크레인 거더의 경량화를 위해 거더의 좌, 우, 상, 하판 및 보강판의 두께에 대한 치수최적화를 수행하여 초기 모델보다 15 % 중량을 줄인 경량화된 최적모델을 얻었다.
- 2) 좌, 우, 상, 하판 및 보강판의 두께 중 하판의 두께가 약 67 % 줄었으며 경량화에 큰 영향을 주는 것을 알 수 있었다.
- 3) 마그네트 천장크레인 거더의 경량화는 거더의 좌, 우, 상, 하판 및 보강판의 두께 변화에 영향이 크게 작용하기 때문에 현장에서 고려하여 설계하면 비용을 절감할 수 있다.
- 9MPa로 초기 모델보다 각각 33 %와 20 %가 증가하였다. 또한, 좌굴강도는 1.32× pMax N으로 초기 모델보다 각각 37 %가 감소하였한고, 1차 고유진동수는 8.34 Hz로 0.2 %가 증가하였다. 치수최적화를 수행하여 목적함수인 체적은 초기 모델보다 약 15 % 감소한 경량화된 모델을 얻었다.
- 천장크레인 거더의 판 두께를 치수최적화한 결과, 설계변수 tDOWN가 8 mm에서 2.65 mm로 크기가 약 67% 줄어 모든 설계변수중에서 경량화에 가장 기여가 큰 민감한 변수임을 알 수 있었다. 그 이외의 설계 변수 tRV, tV, t 최적 설계변수에서 발생하는 최대변위는 20.14 mm, 최대응력은 109.9MPa로 초기 모델보다 각각 33 %와 20 %가 증가하였다. 또한, 좌굴강도는 1.
- 최적설계가 수행되는 총 반복횟수는 8 회이며, Fig. 9~13에서는 반복횟수에 대한 목적함수의 변화와 제약함수인 최대응력, 좌굴계수, 처짐량 및 1차 고유진동수의 변화를 나타내었다. Fig.
- 2 %가 증가하였다. 치수최적화를 수행하여 목적함수인 체적은 초기 모델보다 약 15 % 감소한 경량화된 모델을 얻었다.
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