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문제 정의
- 굴삭기는 기본적인 굴삭을 비롯한 파쇄, 인양, 선회, 충돌, 압토 등의 다양한 작업을 수행하는 구조물로 다양한 모드의 하중을 경험하므로 여러 가지 하중을 고려하여 피로강도평가를 수행하여야만 하지만 본 논문에서는 주요한 작업모드인 굴삭과 인양만을 고려한 기법에 대하여 기술하였다. 작업은 Fig.
- 그 동안 굴삭기관련 연구들은 정적강도만을 제약조건으로 하여 최적화를 하거나(1) 단편적으로 특정 부위에 대해서만 피로강도평가를 하여(2) 부분적인 보강을 하는 방향으로 진행되어 왔는데, 작업장치의 경우 주요 파손모드가 피로파손이고 이러한 피로파손은 용접시공의 정밀도 외에 기본적으로 판재의 두께와 밀접한 관련이 있음을 감안할 때 피로강도를 제약조건으로 하는 경량 최적화 방법이 요구된다. 본 논문에서는 굴삭기의 작업장치인 암과 붐에 대하여 중량을 목적함수로, 판재의 두께를 설계변수로 하고 피로취약부의 피로허용응력범위들을 제약조건으로 하는 내구강도를 고려한 경량 최적화 기법을 소개하였다. 내구강도를 만족하는 최적해를 찾는 방법으로는 SA(Simulated Annealing)기법을 이용하였고, 탐색점에 대한 응력값 계산은 인공 신경망(Artificial Neural Network)을 이용한 응답면 기법(Response Surface Method)을 사용하였다.
- 본 논문에서는 유압식 굴삭기의 내구강도를 고려한 경량 최적화 기법을 소개하였다. 내구 경량 최적화는 제약조건을 피로강도로 하는 최적화로 대상 구조물을 설계수명 동안 피로손상이 발생하지 않는 범위 내에서 경량화를 하는 것을 의미한다.
- 허용 피로응력범위는 피로취약부의 용접형태 등에 따라 선정되는 S-N 선도에서 구하여 지는데, 이를 위하여서는 먼저 설계수명과 설계하중 분포 등이 결정되어야만 한다. 본 논문에서는 이러한 최적화의 과정에서 작업장치의 구조해석과 이로부터 구한 응력으로부터 응력범위를 산정하는 과정 및 허용 피로응력범위를 계산하여 피로강도를 평가하는 부분에 대하여 상술하고, 마지막으로 소개된 기법을 사용하여 작업장치 내구경량 최적화 예제를 수행한 결과를 기술하였다.
- 암과 붐의 피로 취약부를 각각 5 개 정도로 하는 내구 경량 최적화 예제를 수행하여 보았다. 본 예제에서 설계변수는 Fig.
- 내구 경량 최적화는 제약조건을 피로강도로 하는 최적화로 대상 구조물을 설계수명 동안 피로손상이 발생하지 않는 범위 내에서 경량화를 하는 것을 의미한다. 최적화의 제약조건식을 구성하는 작용 응력범위 계산에는 다대다 대응에 유리한 인공 신경망기법을 이용하고 전역 최적해 탐색에는 SA 기법을 활용하는 경우를 검토해 보았다. 소개된 기법은 굴삭기의 초기설계 단계에서 현실적인 시간 안에 작업장치를 효과적으로 경량 최적화할 수 있는 기법으로 작업장치의 경량화는 상하부 구조와 균형 추의 중량감소로 이어져 원가절감 및 연비향상에 상당히 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
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