트럭 장착용 너클크레인의 경량화를 위한 구조 최적설계

Abstract

너클크레인은 다른 운송수단에 비하여 구조가 간단하고 큰 중량을 취급할 수 있는 장점과 운반물을 공중에서 이동시키므로 운송경로나 운반물을 취급하는 위치의 자유도가 상당이 높은 특징이 있기 때문에 고철 및 종이 또는 스크랩(Scrap) 등과 같은 것들의 재활용 현장작업에서 많이 사용 된다. 너클크레인에 대한 국내 연구 개발 수준은 매우 낮은 실정이다. 국내에서는 일반적으로 전산해석보다는 단순 외팔보를 가정한 수치계산에 의한 설계 해석과 실제 사용자들의 과적 및 험한 사용을 고려하여 소재변경을 통한 강성의 강화를 추가하는 등의 설계 변경만이 이루어지고 있다. 그러나 이러한 부분적 설계방식은 해석의 정확도가 떨어지고 크레인 전체 중량을 증가시켜 연비저하 및 장치의 수명단축을 초래하였다. 따라서 이와 같은 단점을 보완하기 위해서는 실제 설계와 근접한 해석 모델을 구축하고 이에 대한 설계해석을 수행하여 최종적으로 설계 상에서 요구되는 강성을 만족시키면서도 전체 중량을 줄일 수 있는 설계 방법이 필요하다. 전술한 바에 따라서 본 연구에서는 크레인의 전체 모델을 Solid Edge를 이용하여 모델링 한 후 이를 유한요소 모델링 프로그램인 “HyperMesh 9.0”을 이용하여 유한요소화 하였다. 하중 및 구속조건, 물성치를 적용하여 “Optistruct9.0”을 이용한 유한요소 해석을 하였고, 초기 설계의 구조 강도에 대한 적절성을 검사 하였다. 크레인의 경량화를 위하여 극단적 하중 조건인 최대 반경에서의 최대 하중을 적용한 구조 최적화를 수행하였다. 힘에 대해 가장 영향을 많이 받는 부분인 컬럼부와 붐부분을 세분화하여 설계변수로 설정하였고 물성치의 최소 항복강도를 만족 시키도록 제한조건을 주어 전체 체적을 줄이는 것을 목적으로 하여 구조 최적화를 정식화 하였다. 과도화된 초기 설계의 강도를 기준 강도에 허용하도록 하였으며, 전체 체적을 감소시킴으로써 중량의 감소를 이루었다. 결론적으로 전체 설계 모델에 대한 해석과 구조 최적화에 의한 경량화를 통하여 크레인이 구조적인 안전성을 확보하고 동시에 연비 절감을 이룰 수 있는 설계를 제시하였다. 이를 통해 환경적으로도 크레인에서 발생되는 CO2를 감소 시킬 수 있음을 알 수 있다.