등가정하중법을 이용한 너클크레인의 구조최적 설계

Abstract

너클크레인은 차량에 장착되어 이동성이 뛰어나며, 운반물을 취급하는 위치의 자유도가 상당히 높아서 효율 적인 작업 환경을 만들 수 있다는 장점을 가지고 있다. 사용목적은 고철 및 종이 같은 것들의 재활용 현장작업에서 많이 사용 된다. 너클크레인과 같은 차량 장착용 크레인에 관한 연구는 이동이 용이하다는 장점을 극대화 시키기 위한 운동성, 에너지 소모량 및 내구성에 중점을 둔 경량화와 성능 개선을 시키는데 수행되고 있다. 그러나 국내 연구 개발 수준은 크레인을 포함한 대부분의 기계구조물의 최적 설계 방법에 대해서는 미흡한 실정이다. 모델 전체의 비선형성을 고려한 상태에서의 동적 최적 설계는 많은 시간과 고비용이 요구 되므로, 일부 특정 상황만을 고려 한 최적 설계를 수행 하거나 구조물의 일부분에 대해서만 전산해석등을 통해 정적인 상태에서의 치수, 형상, 위상 최적 설계를 수행 하는 정도 이다. 본 연구에서는 너클크레인의 비선형 동적 상태를 고려 할 수 있는 등가정하중법을 이용하여 최적 설계를 수행하였다. 이를 위하여, 초기 너클크레인의 모델 전체에 대하여 비선형성을 고려한 동적 해석을 수행 하고, 다음으로 초기 모델에서의 설계에 대한 적절성 및 문제점을 파악하여 최적화 수행 과정에서 필요한 등가정하중을 산출하였다. 마지막으로 크레인에 대한 안전성확보 및 경량화를 수행하기 위하여 너클크레인의 26개 부분에 대한 치수를 최적화 하였다. 결과적으로는 기존 너클크레인에 대한 비선형 동적 해석 수행 후 일부의 붐(Boom)부분에서 재료의 항복 응력보다 높은 응력이 작용하여 추후 파손이 우려 되는 부분을 발견하였으며, 다른 부분에서는 매우 낮은 응력이 발생하여 초기 모델에 대한 과도 설계가 되어 있음을 확인 하였다. 그러나 본 연구에서 제시한 최적화 방법을 통해 설계된 너클크레인은 구조적인 안전성을 확보하였으며, 나아가 경량화 된 결과를 보여 주었다.