실험계획법을 이용한 양식장용 알루미늄 소형 선박의 선체 구조설계 민감도 평가

이진선 국립목포대학교 산업기술대학원 2024 국내석사

양식장용 알루미늄 소형 선박산업 및 양식장 기자재 산업에서는 해상 양식장에서 육상양식으로 점차 변화해가는 추세이며 이를 기반으로 하는 스마트 양식산업의 변화는 이제 선택이 아닌 필수적인 요소로 다가오고 있다. 이러한 기술 개발을 위해서는 양식장 정보를 자동으로 추출할 수 있는 본 연구대상과 같은 무인 양식장 관리선이 개발되어야 한다. 일반적으로 인력이 승선해서 움직이는 선박과 다르게 무인 선박의 경우 정보 획득을 위한 많은 선박 기자재가 탑재되기에 하중에 대한 영향력을 많이 받는 특징이 있다. 이를 해결하기 위해서는 선박의 안전성을 확보하면서 최적의 설계를 통하여 선박의 무게를 줄이고, 민감도 해석을 통하여 부재별 선박의 안전성에 미치는 데이터를 도출해야 한다. 본 연구는 실험계획법을 통하여 유한요소법 기반으로 구조강도 성능 평가를 실시하고, 선체 구조의 방진 성능 검토를 위해 추진장치의 기진력을 분석한 후 유한요소법을 기반으로 선체 구조의 진동해석을 수행하였다. 새로운 형식의 알루미늄 소형 선박의 구조민감도 해석을 위해 주요 부재의 치수를 3수준 설계 인자로 고려하고 구조강도 평가 응력, 진동주파수 및 중량을 응답치로 설정하여 전인자 실험계획법, 직교 배열 실험계획법, 랜덤 실험계획법을 각각 적용하여 민감도 해석을 수행하였으며 민감도 해석을 통해 주요 부재별 응답치에 대한 정량적 영향도를 분석하였고, 실험계획법 상의 설계 행렬로부터 최소 중량 설계안을 제시하였다. The aluminum small ship industry for fish farms and the equipment industry for fish farms are gradually changing from marine farms to land farming, and the change in the smart aquaculture industry based on this is now approaching as an essential factor, not an option. For such technology development, an unmanned fish farm management ship such as this study subject that can automatically extract fish farm information should be developed. In general, unlike ships that move on board with personnel, unmanned ships are characterized by a lot of influence on loads because they are equipped with many ship equipment for information acquisition. To solve this problem, it is necessary to reduce the weight of the ship through optimal design while securing the safety of the ship, and to derive data that affect the safety of the ship by member through sensitivity analysis. This study conducted a structural strength performance evaluation based on the finite element method through the experimental planning method, analyzed the vibration force of the propulsion device to review the vibration performance of the hull structure, and performed vibration analysis of the hull structure based on the finite element method. For the structural sensitivity analysis of a new type of aluminum small ship, the dimensions of major members were considered as three-level design factors, and the structural strength evaluation stress, vibration frequency and weight were set as response values. Sensitivity analysis was performed by applying the all-factor experimental planning method, the orthogonal arrangement experimental planning method, and the random experimental planning method, respectively. Through sensitivity analysis, quantitative impact on response values for each major member was analyzed, and a minimum weight design plan was presented from the design matrix of the experimental planning method.

WEDG 방법을 이용한 마이크로 구조물가공용 미세 공구 제작

안현민 연세대학교 2003 국내석사

최근 과학기술의 눈부신 발전에 따라 3차원 형상을 가진 마이크로 구조물에 대한 수요가 증가하고 있다. 3차원의 자유로운 형상을 가진 마이크로 구조물을 가공하기 위해서는 미세 공구가 필요하며, 미세 공구 제작방법으로 칩을 발생시켜 공구를 가공하는 일반적인 기계 가공방법은 마이크로단위의 미세 공구를 제작함에 있어 공구의 형상 및 가공정밀도에 많은 어려움이 있다. 특히, 공구로 사용되고 있는 텅스텐 카바이드와 같은 난색재의 초정밀 가공은 전통적인 기계가공으로는 실현하기에는 부적합하다. 또한, 공구가공 후 기계에 장착할 때 발생하는 에러는 공구가 미세하고 정밀함에 따라 상대적으로 증가한다. WEDG (와이어 방전 연삭) 방법은 와이어와 전극사이에 흐르는 방전전류를 이용하여 미세 공구를 제작하기 위한 방법으로 제작된 공구를 장착하는 방식과 달리, 가공기상에서 직접 공구를 제작함으로써 공구 척킹시 발생하는 오차를 최대한 줄일 수 있는 직접 가공방식이며, 방전가공은 비접촉 가공으로 텅스텐 카바이드와 같은 난색재에 미치는 가공력을 최소화하여 변형을 일으키지 않고 마이크로단위의 공구를 가공할 수 있는 효과적인 방법이다. 본 연구는 WEDG방법을 이용하여 마이크로 구조물을 가공하기 위한 미세공구의 제작에 관한 연구이다. 본 연구에서는 마이크로 방전가공을 이용하여 미세공구를 제작함에 있어 가공에 영향을 미치는 여러 가지 가공변수에 대한 효과를 실험 계획법을 통해 분석하였으며, 그 결과를 이용하여 원하는 치수를 가진 공구를 제작하기 위한 방전간극 모델을 제안하였다. 재현성을 가진 미세 공구의 제작은 원하는 형상의 미세 구조물을 가공하기 위해서는 필수적이다. 또한, 방전가공의 영향으로 인하여 전극의 표면에 방전흔적이 발생하게 되며, 방전흔적은 공구의 표면품위에 결정적인 영향을 미친다. 가공된 공구의 크기가 미세해짐에 따라 상대적으로 공구의 표면품위가 중요인자가 되며, 실험계획법에 의한 결과를 이용하여 표면품위가 우수한 공구를 제작할 수가 있다. 이와 같은 연구결과를 이용하여 직경 5.5㎛, 길이 200㎛를 가진 공구를 제작할 수 있다. As high technologies are developed, demands for 3-D micro structure are increased. For machining 3-D micro structure, micro tool is needed. General machine processing such as lathe and milling have many difficulties of micro machining due to material strength and machining force. Especially, high hardness material such as tungsten carbide for tool material need non-traditional processing. Also, when machined tool is mounted machine, chunking error become relatively large as tool size is smaller. Therefore, WEDG (Wire electrical discharge grinding) method is suggested. WEDG method perform tool machining on one machine and machined tool perform work piece machining on same machine. So that chunking error of machine is minimized. EDM (electrical discharge machining) is non-contact machining, so machining force is minimized than other mechanical machining. Therfore workpiece have little effect on machining force. This study is about micro electrode manufacturing for machining 3-D micro structure. In this study, when micro electrode was manufactured using micro EDM, machining parameters were analyzed using experimental design. Experimental results suggest theoretical model of EDM gap distance for manufacturing electrode with designed size. It is necessary that micro electrode manufaturing with reproduce in order to machining micro structure of designed size. Also, crater of electrode due to EDM have effects on surface integrity of electrode. As electrode size become smaller, surface intergrity of electrode relatively become important factor. Using experimental results, we can manufacture electrode with good surface integrity.

수치해석과 실험계획법을 결합한 새로운 다전극 submerged arc welding 공정 최적화 기술 개발

김영천 동아대학교 대학원 2023 국내박사

압력용기 제조업에서 저온용 후판의 용접작업은 물리적 품질과 생산성 결정에 크게 영향을 미치는 매우 중요한 공정 중의 하나이다. 특히 압력용기는 운전조건에 따라 고온의 열과 높은 압력은 물론 초저온에서의 취성 또한 견디기 위하여 매우 높은 용접 품질 기준이 요구되고 있고, 용접은 여러 층의 용접이 반복적으로 수행되는 다층 용접으로 수행되므로 많은 시간과 높은 비용이 요구되는 공정이다. 따라서 품질을 만족시키면서 생산성을 획기적으로 개선할 수 있는 용접 프로세스를 확보할 수 있다면 기업의 경쟁력 제고에 큰 기여를 할 수 있을 것이다. 본 연구에서는 압력용기 제조업의 용접시스템 중 자동화 및 생산성과 품질이 비교적 우수한 SAW(Submerged Arc Welding) 시스템을 대상으로 특히 1˗Pole SAW보다 생산성이 획기적으로 높은 3˗Pole SAW를 적용하였으며, 저온에서의 기계적성질을 만족하는 최적화 시스템의 확보를 위하여 수치해석 기술과 실험계획법을 적용한 용접 최적화 방법을 제시하였다. 먼저 As-Is, To-Be 분석을 이용하여 기존 1˗Pole SAW 대비 3˗Pole SAW 기술 도입 시 프로세스 변화를 분석하고 3˗Pole SAW 용접시스템의 Prototype을 구축하였으며, 수치해석(시뮬레이션)으로 3˗Pole SAW의 입열량을 분석하여 입열량을 통한 충격강도 예측 및 결과와 실험계획법(DoE)을 적용하여 시뮬레이션한 3˗Pole SAW 충격시험 결과와의 Feedback을 통하여 3˗Pole SAW의 충격강도 예측 모델을 개발하였다. 실측을 위하여 단계적 실험계획법을 활용하여 3˗Pole SAW 용접 시험을 하고, 결과를 바탕으로 실측 실험 결과와 수치해석의 예측 결과를 비교 분석하였다. 최적화 실험 결과를 바탕으로 출력변수(충격강도, 용접시간)들의 목표값을 만족시키는 다차원 설계가능영역(Design Space, DS)를 도출하였고, 도출된 DS에 신뢰구간(Confidence Interval, CI)을 적용한 안전가용영역(Safe Operating Space, SOP) 및 허용가능범위(Normal Acceptable Range, NAR)까지 도출하였다. 다음으로 재현성 실험을 통하여 도출된 NAR과 최적 조건에 대한 유효성을 확인하였다. 본 연구 결과가 용접 생산성의 획기적인 향상과 비교적 간편한 최적화 방법을 통한 높은 품질 확보에 기여 수 있을 것으로 기대된다.

승원 안전을 고려한 승용차 A-pillar trim의 최적 설계

김형곤 연세대학교 대학원 2000 국내석사

자동차 충돌사고 중 차량과 충동물 사이의 1차 충격량보다 탑승자와 자동차 내장재와의 2차 충격량이 승원의 상해에 더 치명적이라는 것이 밝혀짐에 따라 북미교통안전협회(NHTSA)는 자동차안전법규 FMVSS201(내장재 충격에 관한 승원 보호 법률)을 개정하고, 이로 인하여 자동차 내장재의 구조와 부분 모델 테스트의 비중이 커지게 되었다. 본 연구에서는 내장재 중 특히 A-Pillar Trim의 충격흡수 구조로 Rib을 설계하고, Rib의 가로방향 간격, 세로방향 간격, 두께를 설계변수로 정의하여 실험계획법(DOE)으로 첫 설계구간 내에 실험점을 구하고, LS-DYNA3D를 이용하여 해석 및 시뮬레이션을 수행 함으로써 각 실험점에 대한 반응량을 구하였다. 각 실험점과 반응량 사이의 관계를 반응표면법(RSM)을 이용하여 회귀함수로 만들어내고 이를 목적함수로 하여 최적설계의 문제를 풀었으며, 설계구간 내에 최적 설계해가 존재하지 않는 경구 새로운 설계구간을 정의하여 최적문제에 대하여 재수행 함으로써 최적의 설계구간을 구하였다. 충돌시 직접 접촉이 일어나는 부위인 Head와 Pillar Trim, 그리고 충격흡수 구조인 Rib과 Inner Panel 사이의 형상의 기하학적 비선형성으로 인하여 때문에 설계변수와 반응량 사이의 관계 또한 비선형적이었으며, 이를 토대로 설계변수와 반응량 사이의 일반적인 경향을 도출하였다. 본 연구의 설계해를 기반으로 북미교통안전협회에서 정의한 Head와 내장재 사이의 15mph 충돌 시험시 HIC(d)값이 1000 이하가 되도록 하는 규정에 대하여 HIC(d)를 850 이하까지 낮출수 있는 Rib 구조를 도출하였다. NHTSA (National Highway Traffic Safety Administration) has been conducting biomechanical studies to reduce head injuries sustained during automotive collision, Furthermore, NHTSA added the new regulation to the FMVSS (Federal Motor Vehicle Safety Standard) 201, limiting the equivalent HIC (Head Injury Criterion) value under 1000, In the present work, a methodology was developed for the optimum design of the A-Pillar trim with rib-structures. The design variables for the rib-structures were the transverse spacing, the longitudinal spacing, and the thickness, The required sets of the design variables were decided based on the design of experiments. For the simulation of the head impact, the finite element models for the headform and the A-Pillar trim with the rib-structures were first made, The head impact simulations were carried out using the LS-DYNA3D, and the HIC(d) values were computed using the results of the head impact simulation. The objective function was constructed using the response surface method (RSM). When the obtained optimum values were not inside the region of interest, the design procedures were repeated by changing the region of interest, Finally, an A-Pillar trim with rib-structures, which resulted in HIC(d) value under 850 for 15 mph head-trim impact, was developed.

실험계획법을 이용한 이륜자동차 브레이크 디스크의 열응력에 관한 연구

이동수 동아대학교 교육대학원 2009 국내석사

디스크와 패드로 구성되는 브레이크 시스템은 사용되는 재료의 강도가 온도의 영향을 크게 받게 된다. 즉, 디스크와 패드는 마찰면에 작용하는 하중과 미끄럼 속도 등에 따라 높은 마찰열에 의한 온도상승으로 열탄성마멸, 열 크랙, 페이드(fade), 이상떨림(judder) 등으로 인하여 제동성능이 급격히 떨어지게 된다. 이처럼 제동성능에 문제가 되는 것을 해결하기 위하여 내마멸성과 열전도율을 높이기 위한 복합재료의 개발, 이상떨림의 발생원인과 해결책을 위한 연구와 컴퓨터 시뮬레이션을 이용한 열에 의한 해석 등의 연구가 진행되어 왔다. 정상적인 브레이크 시스템에서 마찰에너지는 마찰면에 고르게 발생되었다가 균일하게 소산되지만 디스크와 패드의 불평형 접촉이나 디스크 로터와 회전축의 불균형, 디스크의 표면조도 등에 의하여 마찰열이 국부적으로 축적되면 적열점(hot spot)에 따른 열탄성 불안정성(thermoelasticins-tability)현상으로 제동시 소음과 진동이 발생하게 된다. 이를 위하여 최근 4륜 및 이륜 자동차의 브레이크 시스템에 사용되고 있는 방열 디스크 브레이크는 미끄럼 마찰면의 크기를 그대로 유지하면서 대류에 의한 냉각효과를 극대화시켜 열변형 거동을 가능한 줄여주고, 열탄성 마멸, 소음과 진동을 완화하여 브레이크의 안정성을 확보하면서 수명을 연장시킬 수 있는 장점을 가지고 있다. 그러나 이러한 방열 디스크의 마찰인자와 방열 홀의 개수에 따른 디스크와 패드의 마찰열에 의한 열응력의 분포상황과 마찰인자에 따른 열응력의 예측은 아직 이루어지지 않고 있다. 따라서 본 연구에서는 이륜자동차의 디스크와 패드의 마찰실험을 행하고 마찰인자와 방열 홀수에 따른 열응력을 해석한 후, 실험계획법을 통하여 이들 마찰인자와 방열 홀수에 따른 열응력을 예측한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다. 1. 완전요인 배치법을 사용하여 방열 홀수에 따라서 마찰인자들을 변화시켜 열응력을 분석한 결과 방열 홀 수 3개, 작용하중 5kg, 미끄럼 속도 0.1m/s, 미끄럼 거리 500m의 경우, 최소의 디스크의 열응력으로 6.6123MPa이다. 2. 열응력 해석결과를 분산 분석한 결과 P-검정을 통하여 신뢰구간에 유효하며, 본 연구에서 구축한 수학적 회귀모형식을 통하여 마찰인자를 고려한 디스크 열응력의 예측이 가능하였다. 3. 본 연구방법은 다른 자동차 제품에도 적용이 가능하며, 실험단계에서 보다 개선된 방법을 사용하여 실험하는데 유용할 것이다.

자동차 클러치 드럼허브 치형가공을 위한 Grob 금형설계 및 최적화

송용석 동아대학교 대학원 2010 국내석사

자동차 동력전달장치 중 클러치는 자동차 기동에 필요한 토크전달 및 기어변속에 직접적인 영향을 주는 핵심 부품이다. 그 중 클러치의 드럼 허브는 그 정밀도에 따라 자동차의 동력전달에 영향을 끼치게 되므로 정밀도의 향상은 자동차의 성능 및 품질 향상에 기여하게 된다. 최근의 최적설계는 통계학적 방법을 이용한 실험 계획법의 직교 배열 표와 CAE 시뮬레이션을 연계하여 설계공정을 단축시키고, 설계의 고도화를 도입하기 위한 최적설계의 개념이 도입되고 있는 추세이다. 최적화 문제에서는 설계변수의 변화에 따른 목적함수와 제약조건의 변화 정도를 표현하는 수학적 모델을 필요로 한다. 그러나 실제 시스템에 있어서 제한 조건들과 목적함수를 정확히 수학적으로 기술하는 것이 매우 어려운 작업이며 표현방식이 가지고 있는 한계성으로 인해 부정확성의 문제가 발생한다. 이로 인해 최근에는 시스템의 평가 특 성치 함수를 수식적으로 구하기 어려운 경우에 통계적 방법을 이용한 실험계획법이 사용되고 있는 추세이다. 본 연구에서는 자동차용 클러치 드럼 허브의 금형설계를 위해 상용 프로그램인 FORGETM를 이용하여 Grob 성형 공정에 대해 강소성 유한요소해석을 수행하였고, 정밀도 향상을 위한 금형의 형상 최적화를 위해 다구찌 실험계획법을 이용하여 금형의 세부 치수에 대한 최적화를 수행하였다. 그리고 최적화 결과의 확인을 위한 재현성 평가 해석 및 실제 최적화 적용제품의 3D 측정을 통해 결과의 타당성을 확인하였다. Of automotive driveline torque required to start the car the clutch and gear shift is directly affecting the core components. Among them, the drum of the clutch hub, depending on the accuracy of the power transmission cars are eventually impact on the improvement of accuracy and quality of the car's performance will contribute to the improvement. Recent statistical methods for optimal design of Experiments Using Orthogonal Arrays in conjunction with the CAE simulation to shorten the design process, design, optimal design for the introduction of the advancement of the concept is increasingly being introduced. Optimization of the design parameters change according to changes in the objective function and constraints of a mathematical model to express the degree of need. However, in actual system constraints and objective functions to describe exactly mathematically very difficult task and the manner of expression has limits due to the problem of inaccurate occurs. Because of this, recent evaluation of the system difficult to obtain the characteristic value function in a formula based on the statistical methods used in Experiment 2 is a trend. In this study, a hub of automotive clutch drum for mold design using commercially available programs FORGETM Grob molding process for plastic finite element analysis were carried out to improve the accuracy of a mold for shape optimization using Taguchi Experimental Design Mold The detailed measurements were performed for the optimization. And optimize the reproducibility of results evaluated to confirm the actual Optimization Analysis and 3D measurements of the product confirmed the validity of the results.

양식장용 알루미늄 소형 선박의 중량감소설계를 위한 선체 구조 다목적 최적화

이미소 국립목포대학교 산업기술대학원 2024 국내석사

환경보호와 에너지 절감 등에 관해 관심이 커지면서 친환경 알루미늄 소재를 적용한 소형 선박의 경량화 설계를 위한 기술개발은 가장 중요하고 시급한 연구 과제로 대두되고 있다. 단순히 선체 중량을 줄이는 것에 그치는 것이 아니라 구조적 안정성과 강도는 최대화하면서 선체의 중량을 최소화할 수 있는 설계 기술은 단순하지 않으며 매우 필수적인 요소이다. 본 논문에서는 양식장용 알루미늄 소형 선박의 중량감소설계를 위하여 선체 구조 부재에 대한 설계 변수를 설정하고 제한조건 내에서 근사최적화를 수행하였다. 3수준 설계 인자, 이산 설계 변수를 고려한 직교배열법(Orthogonal Array Design, OAD)을 활용하여 실험계획을 세우고 최적의 해를 도출하였다. 또한, 근사최적화의 연구 시간과 비용 절감을 위하여 생성한 근사모델은 세 가지 기법 중 가장 정확도가 높은 타원형 방사기저함수(Radial Basis Function Elliptical, EBF) 근사모델을 적용하였다. 적용한 근사모델을 토대로 다중 섬 유전자 알고리즘(Multi-island Genetic Algorithm, MIGA) 최적화 이론에 따라 근사최적화를 수행함으로써 초기 설계 선체 중량(0.072 ton) 대비 18.6%의 중량 감소 효과를 얻었다. 이 연구 결과로 제한된 조건 안에서 소형 선박의 선체 중량(Mass)을 감소시키며 진동수(Frequency)를 최대화할 수 있는 모든 변수에 대한 모델을 직접 제작할 필요 없도록 실험을 계획하고, 근사모델 기법과 MIGA 최적화를 통하여 시뮬레이션 분석을 수행함으로써 연구를 위한 시간과 비용을 절감할 수 있는 효율적인 연구 수단임을 확인하였다. As interest in environmental protection and energy saving grows, technology development for lightweight design of small ships using eco-friendly aluminum materials is emerging as the most important and urgent research task. Rather than simply reducing the weight of the hull, design techniques that can minimize the weight of the hull while maximizing structural stability and strength is not simple and is a very essential element. In this study paper, design variables for hull structural members were set for the weight reduction design of a small aluminum vessel for fish farms, and approximate optimization was performed within constraint conditions. An experimental plan was established and an optimal solution was derived by using Orthogonal Array Design (OAD) considering three-level design factors and discrete design variables. In addition, the elliptical radial basis function (EBF) approximation model, which has the highest accuracy among the three techniques, was applied to the approximation model created to reduce the research time and cost of approximate optimization. Based on the applied approximate model, approximate optimization was performed according to the Multi-island Genetic Algorithm (MIGA) optimization theory, resulting in a weight reduction of 18.6% compared to the initial design hull weight (0.072 tons). As a result of this study, it was confirmed that it is an efficient research tool that can save time and cost for research by planning an experiment so that there is no need to directly produce a model for all variables that can reduce the hull weight(Mass) of a small ship and maximize frequency within limited conditions, and performing simulation analysis through approximate model techniques and MIGA optimization.

재료불확실성을 고려한 풍력발전용 복합재료 블레이드의 구조설계 및 해석

박종구 전북대학교 일반대학원 2017 국내석사

Recently, wind energy has been the world’s fastest growing source of energy. This paper describes structural design and analysis of composite small wind turbine blade for 2 kW level horizontal axis wind turbine. The aerodynamic design and force, which are required to design and analyze a composite blade structurally, are calculated through blade element momentum theory implemented in public code PROPID. To obtain the equivalent material properties of filament wound composite blades, the rule-of-mixture is applied using the basic material properties of fiber and matrix, respectively. Lay-up sequence, ply thickness and ply angle are designed to satisfy the loading conditions. Structural analysis by using commercial software ABAQUS was performed to compute the displacement and strength ratio of filament wound composite blades. Design of Experiments was applied to meet the design specification considering the manufacturing process. A full factorial design is applied and the analysis of variance is made in order to determine the significance of effects in an analysis. Main effect and interactive effects were investigated and optimum design was selected to meet the several design constraints. Also, material uncertainty was performed to investigated performance evaluation. The results show that the proposed method is suitable to analyze the factors which design the wind turbine blade.

V-굽힘 실험을 통한 자동차용 초고강도강판의 스프링백 특성 평가

이형철 전남대학교 대학원 2012 국내석사

본 연구에서는 자동차용 초고강도강인 DP780강과 고강도강인 TRIP590강의 스프링백에 영향을 미치는 인자의 정량적 분석을 통해 실제 자동차 부품의 스프링백 예측할 수 있는 기초를 쌓는데 목표를 하고 있다. 정확한 스프링백의 예측에 영향을 미치는 인자 중에서 마찰 계수, 다이 깊이, 다이 반경, 펀치 반경, 재료 두께, 두께 방향의 적분점 개수를 영향 인자로 선정하였다. 영향 인자들의 연관성을 검토해 보기 위해서는 수없이 많은 실험을 수행해야 하나, 최소 경우의 수로 효과적인 결과를 도출하기 위해 다꾸찌 실험 계획법을 도입하여 효과적인 인자들을 교차 선택하는 MINITAB 프로그램을 사용하여 한정된 경우의 수 만큼만 유한 요소 해석을 수행하고 그 결과를 분산 분석(ANOVA)을 통하여 영향 인자의 유효성을 검증하고자 하였다. 그리고 영향 인자의 유효성이 검증된 이후에는 민감도가 가장 큰 인자들을 조합하여 V-굽힘 실험을 수행하여 해석 결과와 스프링백량을 비교 분석하여 타당성을 검증하고자 하였다. 연구 결과 펀치 반경, 다이 깊이, 재료 두께 등이 가장 유효한 인자임을 확인하였다. 유한 요소 해석과 V-굽힘 실험을 통해 스프링백값을 비교 검토해 본 결과 잘 일치되는 경우는 다이 깊이 25mm 실험에서 펀치 반경이 6과 8인 경우였다. 펀치 반경이 4인 경우에는 두 소재 모두에서 스프링고의 현상이 나타남을 확인할 수 있었고, 이를 통해 두 소재의 한계 굽힘 반경이 4에서 5인 것으로 추정할 수 있었다. 다이 깊이를 20mm로 굽힘 실험을 한 경우에는 두 소재 모두 해석값이 실험값보다 크게 나타났으며, 소재의 강도가 줄어지면 off-set량도 조금씩 줄어드는 것으로 확인할 수 있었다.

등가강성 기반 차량 후방 충돌 MBD 모델에 의한 배터리 트레이의 최적설계 프로세스 연구

이재준 국민대학교 자동차공학전문대학원 2023 국내박사

차량의 개발에 있어서 가장 중요한 부분은 소비자의 요구사항에 맞는 차량 을 설계하는 것이다. 이에 더하여 최근 소비자들의 차량 구매 기준의 변화로 ‘충돌 안전성’이 대두됨에 따라 충돌에 의해 발생하는 승객과 부품의 안전 을 확보해야한다. 이를 위해 목표로 설정된 성능을 만족하기 위한 시스템 (system), 부시스템(subsystem) 그리고 부품(component) 단계 순으로 설 계를 진행하고 이의 역순으로 제작과 검증을 진행하는 V-cycle 프로세스가 활용되고 있지만, 제작 및 검증 단계에서 발생하는 경우 해당 설계 단계에서 다시 설계를 진행해야하는 단점을 가지고 있다. 이를 보완하기 위해 설계 단 계에서 차량의 시스템 성능을 조기에 예측 및 검증하여 검증 단계에서의 발생 하는 문제를 줄이는 front-loading 설계가 크게 대두되고 있다. Front-loading 설계의 실현을 위해 요구되는 핵심기술로 여러 분야에 대한 성능과 복잡성 및 자유도를 가지고 있는 차량 시스템에 맞춘 효율적인 설계 기술과 설계에 있어서 소비자들의 요구사항을 고려한 차량 목표 성능 설정 기 술, 그리고 이러한 과정을 수행하기 위한 차량의 성능에 대해 높은 정확도를 가지는 모델 기반 차량 시스템의 다분야 성능 해석 기술이 필요하다. 본 논문 에서는 앞서 차량 후방 충돌 해석에 대한 모델 구축 시간/비용을 단축시키며 높은 예측 정확도를 가지는 해석 모델 구축과 이를 통한 최적설계 단계를 거 쳐 최적설계안을 도출하는 프로세스를 제안하였으며 주요 연구 결과는 다음과 같다. 첫 번째로 본 논문에서는 차량의 정확한 해석을 도출하는 FE 모델이 가지 고 있는 시간/비용적 측면에서의 단점을 보완하고자 등가강성 기반 MBD 모 델을 통하여 차량의 후방 충돌 시험을 모사할 수 있는 슬레드 시험 환경을 구 축하였다. 각 부품에 대한 강성 및 물성치 정보를 통해 모델을 구축하고 차량 후방 충돌 시험을 통해 계측된 입력 신호로 시뮬레이션을 진행하였다. 그러나 차량의 전체 시스템에 대한 후방 충돌과 슬레드 시험 간의 구속조건 차이로 인해 발생하는 오차에 따라 입력 신호에 대한 보완 및 생성할 수 있는 HTT 방법론을 적용하여 입력 신호를 보완 및 생성하였다. HTT 방법론을 통해 생 성된 입력 신호를 등가강성 기반 MBD 모델에 적용한 결과 모델의 평균 제곱 근 오차(RMSE)는 10% 미만으로 하는 결과를 도출할 수 있었다. 두 번째로 일반적인 부품 최적설계에서 반영하는 하드포인트(hardpoint)의 위치를 조정하는 것이 아닌 시스템의 layout에 따라 실제 제작이 되고 있는 부품 구성 및 형태에 따라 효율적인 설계를 할 수 있도록 효과분석 기반 배터 리 시스템 layout 최적설계를 진행하였다. 목적 함수로는 배터리 트레이 고정 부에 발생하는 하중 peak-to-peak의 최대값을 최소화하는 것으로 하여 실 험계획법을 기반으로 32회의 실험을 진행하였고, 이를 바탕으로 모든 제약조 건을 만족하는 layout 최적 조합 결과를 도출하였다. 마지막으로 what-if design 기법을 사용하여 도출된 layout 최적 조합 결 과를 사용하여 목적 함수로 부품 질량과 고정부 응력을 최소화하는 것으로 선 정하고 비드 형상 최적화(topography optimization)을 수행하였다. 비드 형 상에 대한 설계 변수를 선정하여 최종적으로 최적설계 프로세스에 따른 배터 리 트레이의 도출된 설계안의 질량은 2.139% 감소하였고 배터리 트레이의 고정부 응력의 최대값은 18.39% 감소하는 결과를 도출하였다. 이러한 결과는 등가강성 기반 MBD 모델을 구축하고 이를 통한 layout 최적 조합을 도출해 낸 결과로 형상 최적화까지 진행하는 설계 프로세스가 효율적인 타당성을 가 지고 있음을 입증할 수 있었다. The most important part of vehicle development is designing a vehicle that meets consumer requirements. In addition, as ‘collision safety’ has emerged due to recent changes in consumers’ vehicle purchasing standards, it is necessary to ensure the safety of passengers and parts caused by collisions. To this end, a V-cycle process is used to design in the order of system, subsystem, and component to satisfy the target performance, and manufacture and verification in the reverse order, but if it occurs in the manufacturing and verification stage, it has the disadvantage of having to redesign it in that design stage. To compensate for this, front-loading designs are emerging to reduce problems occurring in the verification stage by predicting and verifying the vehicle's system performance early in the design stage. As a key technology required to realize front-loading design, efficient design technology tailored to vehicle systems with performance, complexity, and freedom in various fields, vehicle target performance setting technology considering consumer requirements in design, and multi-level performance analysis technology of model-based vehicle systems with high accuracy for vehicle performance to perform this process are required. In this paper, we proposed the process of creating an analysis model with high prediction accuracy and deriving an optimal design through the optimal design stage while shortening the time/cost of model construction for vehicle rear collision analysis, and the main research results are as follows. First, in this paper, a sled test environment was established to simulate a vehicle's rear collision test through an equivalent stiffness-based multi-body dynamics model to compensate for the time/cost shortcomings of the FE model that derives an accurate interpretation of the vehicle. A model was constructed through information on the rigidity and physical properties of the parts, and the simulation was conducted with the input signal measured through the vehicle rear collision test. However, the input signal was supplemented and generated by applying the HTT methodology that can be supplemented and generated for the input signal according to the error caused by the difference in constraints between the rear collision and the sled test for the entire system of the vehicle. Applying the input signal generated through the HTT methodology to the equivalent stiffness-based claustrophobic model resulted in a mean root error (RMSE) of the model being less than 10%. Second, rather than adjusting the position of the hardpoint reflected in the general part optimal design, the effect analysis-based battery system layout was optimized so that efficient design could be made according to the actual part configuration and shape of the system. The objective function is to minimize the maximum value of the load peak-to-peak generated in the battery tray mounting part, and 32 experiments were conducted based on the design of experiments(DOE) method, and the result of optimal combination of layout satisfying all constraints was derived based on this. Finally, using the layout optimal combination results derived using the what-if design technique, it was selected to minimize component mass and mounting stress as an objective function, and topography optimization was performed. After selecting the design variables for bead shape, the mass of the battery tray decreased by 2.139% and the maximum value of the fixing part stress of the battery tray decreased by 18.39%. These results demonstrated that the design process leading to shape optimization had efficient validity as a result of constructing an equivalent stiffness-based multi-body dynamics model and deriving the optimal combination of layout through it.