성공사례입니다. 많은 도움이 있을것같습니다.

[강신욱]

3G 성공사례 12편 - 3G를 활용한 Tilting Device 장치의 동적 응답 해석 및 형상 최적화 해석

[ 강 법 성 ] (주)삼우기계 부설 기계연구소 연구실장

1.  ㈜ 삼우기계 소개

‘최고의 품질경영' 이라는 사훈아래 ㈜ 삼우기계는 항상 최고의 제품만을 위해 노력해오고 있다. 18여 년간의 축적된 기술과 경험으로 산업기계제작 및 설치 업체로 성장하여 왔다. 특히 도금용 에어 나이프 노즐은 포항종합제철㈜의 국산화 개발 성공과 함께 2000년 06월에 특허 출원으로 기술력을 인정 받고 있고, LANCE 성능 개선을 위한 모델링 및 시뮬레이션 연구에 대한 개발을 함으로써 기계기반 산업에 매진하고 있다. 언제나 새로운 기술개발과 신제품 개발에도 끊임없이 노력하고 있으며, 최고의 품질업체로 지출 지향하는 ㈜삼우기계가 되도록 박차를 가하고 있다.

㈜삼우기계의 비전은 기존의 관행과 인식으로부터 탈피하고 , 전문성과 적극성을 기반으로 지속적인 혁신과 최고의 성과를 추구하는데 그 목적이 있다. 삼우기계 정신으로는 긍정적 사고, 적극적인 의지 그리고 강인한 추진력을 그 주된 정신으로 하고 있다.

1) 긍정적 사고

: ㈜삼우기계는 무에서 유를 창조한다는 집념으로 발전시켜 왔다. 21세기를 주도해 나아갈 최정상 기업으로 도약하기 위해서는 우리의 장점인 긍정적인 사고로 미래를 예측·대비하는 창조적 자세와 지혜를 더욱 굳건히 해야 할 것이다.

2) 적극적인 의지

: ㈜삼우기계의 역사는 적극적 참여와 노력으로 이루어진 것이다. 불굴의 의지와 적극적인 자세로 21세기의 밝은 미래를 개척하여야 할 것이다.

3) 강인한 추진력

: ㈜삼우기계는 다른 사람들이 불가능하다고 포기해 버린 일을 험난한 여건 속에서도 강인한 정신력과 추진력으로 성공시킨 역사와 경험을 가지고 있다. 앞으로 세계 곳곳에서 사업을 수행하는데 있어서 성취해야 할 많은 과제를 과감히 헤쳐나가기 위해서는 삼우인 모두가 강인한 정신과 추진력을 더욱 배양하고 체질화해야 할 것이다.

주력 생산 업종으로는 산업 자동화설비 . 제철설비공사, PLANT설비공사, 박판 도금용 AIR

KNIFE LIP 등이 있다.

2. 기술 연구소 소개

기술연구소에서는 연구개발과 철저한 데이터 및 정보의 분석에 근거하여 고품질의 제품을 만들어내고 있다 . 연구소 내에서 수행하고 있는 연구 분야로는 다음과 같다.

- Strength Calculation
- Stress/ Fatigue Analysis
-  Thermal calculation for Heat Exchangers
-  Detailed Fabrication drawings
-  Pipe Spool Design
-  Structural Design

[ 그림 1. 기술연구소 및 연구 수행 분야 ]

최근에 수행된 ‘AIR KNIFE LIP류 제작 연구개발'에 대한 사항은 다음과 같다.

연구 개발 내용으로는 , 냉연, 강판에 아연 도금을 실시할 때, 도금 용액을 일정한 두께로 코팅하면서 도금량을 제어하는 AIR KNIFE로 내부의 구성을 현재 정류봉이라는 공기분배장치가 내장되어 있으나, 현재의 AIR KNIFE 내부에서는 공기 분배의 역할이 미약하여 당사에서 보유하고 있는 C.F.D (Computational Fluid Dynamics)사의 SoftWare를 사용하여 NOZZLE 내부의 공기유동 상태를 Structured Grid Generation 방법을 이용하여 매쉬(MASH)를 생성하고 층류와 난류의 흐름을 동시에 분석하여 새로운 형상의 내부구조를 구성하므로 AIR KNIFE LIP 부에서 분포되는 공기의 흐름이나 압력, 공기량을 일정하고 안정적으로 지속시킬 수 있는 형상을 개발하였으며, 이 결과 도금강판의 품질향상 및 원가절감에 많은 기여를 하였으며 양질의 도금강판을 안정적이고 경제적으로 생산할 수 있는 효과가 기대된다.

또한 국내에서 이러한 기술을 보유함으로써 외국사의 수입가격을 DOWN시키는 효과와 국산 설비로 양질의 제품을 국내 기술로 생산할 수 있는 설비의 제작 및 ENGINEERING이 가능하기 때문에 해당 제품의 품질 향상을 극대화 시켜 가격면에서도 귀사가 경쟁력을 발휘할 수 있으리라 판단된다 .

3. ㈜삼우기계 주요 사업 분야 소개

* 가공 사업 분야

우수한 기술과 풍부한 경험을 바탕으로 각종 산업 분야에서 고객에게 저비용 고효율의 서비스를 제공하고 있다 . 품질 · Cost · Speed의 경쟁력 제고로 다양한 가공품을 설계 · 제작하고 있다. 설비 진단과 계획을 수립하여 품질, 안전을 최우선으로 체계적인 가공작업을 수행하며, 설비 이력관리와 사후 관리 실시, 설비 수명, Cost, 생산성 향상 방안을 수립하였다. 또한 기술표준, 작업공법 DATA Base화를 이루었다.

[ 그림 2. 가공 사업 분야 ]

* 제작 사업 분야

설비의 특성을 감안한 장 · 설비 현대화로 저비용 고 효율의 최적 장비 체제를 구축하고 있다. 다양한 작업에 대응해 최신예 공기구와 전용 설비를 계발 활용하여 품질 향상과 안전 작업을 도모하고 있으며 지속적인 투자 확대로 장비 선진화를 실현해가고 있다.

[ 그림 3. 제작 사업 분야 ]

* PLANT 사업 분야

축척된 기술과 경험 , 그리고 최신의 가공 및 제작 공장을 바탕으로 산업 설비의 설계에서 제작 , 시공까지 고객에게 최고의 품질과 서비스를 제공하고 있다.

- 설계

현장조사 , Lay-out 및 사양검토, 3D 시뮬레이션을 이용한 설계, 강도 계산에 이르기까지 기본 및 상세 설계를 통해 고객의 요구에 부응한 최적설계를 실현하고 있다.

- 설비 제작

기계설비 신설 및 개조의 시작단계에서 준공까지 기술적인 사업 검토와 설계 , 제작, 시공에 대한 치밀한 원가 분석으로 고객의 고부가가치를 창출하고 있다.

- 공사

기계설비공사 18년의 축적된 시공 기술로 설비의 품질을 보장하고 있다. 축적된 시공 경험을 바탕으로 기계 설비 및 철구조물 제작, 설치 공사를 안전하게 수행하고 있다.

[ 그림 4. PLANT 사업 분야 ]

4. 3G CAE(Computer Aided Engineering) System의 도입 이유

㈜삼우기계는 산업기계제작 및 설치 업체로 우수한 기술과 풍부한 경험을 바탕으로 각종 산업 분야에서 고객에게 저비용 고효율의 서비스를 제공하고 있다 . 특히 최근에 자체 개발한 장비의 경우에는 국내는 물론 외국에서도 극찬하고 있다. 이러한 배경을 바탕으로 보다 나은 제품 개발에 앞서서 자체적인 기술의 개발을 통하여 제품 품질 향상 및 가격 경쟁을 통한 회사 발전에 노력하고 있다. ㈜삼우기계도 이러한 국산화 개발에 필요한 자체기술력을 확보하여 세계 초일류 기술력으로 배양하고 기술경쟁에 우위를 위하여 CAE System을 적극 도입하였다.

㈜삼우기계 부설 기술연구소에서는 해외시장에서 선진기업들 보다 경쟁력 있고 우수한 제품을 개발하기 위하여 제품개발에 필요한 해석 (FEA : Finite Element Analysis) 프로그램을 검토하였다. 많은 해석 프로그램 중 빠른 제품의 Life cycle과 설계자들이 직접 해석하고 검증할 수 있는 부분에 주안점을 두고, 효율성 등을 검토 비교하여, 최종 선택으로는 설계자의 빠른 현업 적응력, 프로그램 활용성, 또한 해의 정확성에서 높은 점수를 획득한 3G로 결정하였다.

현재 ㈜삼우기계에서는 3D 캐드 시스템인 Inventor와 제품개발용 구조해석 프로그램인 3G를 도입하여 기술력확보에 총력을 다하고 있다CAE 프로그램의 초기 도입 시에는 CAE 프로그램이 기술경쟁력 확보에 반듯이 필요하다는 판단에 의거 도입을 결정하였지만, 기존의 전문가들의 영역인 CAE 분야를 어떻게 설계자에게 접목하여야 할지 많은 부분 고민이 되었던 것이 사실이다. 초기에는 전문가들이 사용하는 프로그램을 설계자에게 적용하려 하였으나 적용이 사실상 불가능하다는 결론을 내렸으며, 업무 프로세스의 효율을 저하하는 요인이 되었던 것이 사실이었다. 국내의 거의 모든 산업장비업체에서 3G를 설계자들이 활용하고 있다. 이러한 이유로 3G를 ㈜삼우기계에 접목해보기로 하였다. 3G의 큰 특징은 ㈜삼우기계에서 사용되는 3D캐드 (Inventor)와 설계이력(History)을 포함한 완벽한 양방향의 호환성과 그에 따른 설계내역에 대한 제어가 가능하여 설계자들이 특별한 환경을 설정하지 않고, Inventor 모델링 파일을 바로 해석에 사용할 수 있었다. 또한 설계자들이 실무에 쉽게 활용하고 응용할 수 있다는 것이 3G의 큰 장점이었으며, 해의 정확성을 판단하는 빠른 수렴 부분도 상당히 강력한 기능이었다고 판단되어 3G를 설계자를 위한 CAE 프로그램으로 선택하게 되었다.

따라서 모든 제품에 각각의 파트에 있어서도 해석을 통하여 검증하고 신뢰성 있는 설계가 가능하여 제품의 결함을 미리 예측하고 빠르게 제품을 개발하는데 설계자들에게 자신감을 갖고 있다 .

아래의 예제들은 설계자들이 초기에 3G를 접하면서 쉽게 현업에 활용하고 응용했던 예제들을 실어보았다.

5. ㈜삼우기계 Tilting Device 모델의 구조 진동해석

㈜삼우기계는 Tilting Device모델의 설계에 있어서 Inventor V9을 사용하고 있다. 3G에서는 Inventor V9에 대하여 Direct Launching을 통하여, 모델을 바로 입력할 수 있다. 다음은 Inventor V9에서의 Tilting Device모델에 대한 형상을 나타내고 있다.

[ 그림 5. Inventor V9 Tilting Device 모델 ]

다음은 Inventor V9에서의 Tilting Device모델을 3G로 Direct Launching한 경우이다. 여기서 주의할 사항은, Inventor V9에서 제작된 모델 파일에 대한 설계 이력(History)가 그대로 들어오기 때문에, 이 설계 변수를 사용하여 추후 최적 설계 해석에 대한 변수로 활용할 수 있다. 다음의 그림에서 좌측에서 각 부품에 대한 history를 확인할 수 있다.

[ 그림 6. 3G Tilting Device 모델 ]

5.1 Tilting Device 모델의 동적 응답 해석(Dynamic Response Analysis)

새로운 기술 개발을 통한 Tilting Device 모델에 대하여 3G를 이용하여 동적 응답 해석(Dynamic Response Analysis)를 수행하였다.

5.1.1 모델 입력

Inventor V9에서 제작된 Tilting Device 모델에 대한 3G Direct Launching은 다음과 같다. 동적 응답 해석에 사용되는 모델은 기본 모델(상판이 0°도 기울어진 모델)을 포함, 상판이 63°도 기울어진 변형된 두 모델에 대하여 해석을 수행하였다. 각각의 형상은 다음과 같다.

[ 그림 7. 기본 모델(상판 0°) ]		[ 변형 모델 (상판 63°) ]

5.1.2 해석 type 설정

3G에서는 적용 모델에 대한 해석 type을 손쉽게 선택, 적용할 수 있다. 다음은 Tilting Device 모델에 대한 해석 type을 동적 응답 해석에서 ‘과도응답'으로 설정한 경우이다. 해석에 적용된 전체 시간은 1sec로 설정하였다.

[ 그림 8. 동적 응답 해석 type 설정 ]

5.1.3 물성치 적용

Tilting Device모델의 전체 part에 대하여 아래의 Steel 물성치를 동일하게 적용하였다.

[ 그림 9. Steel 물성치(1) ]

또한 , 사용자 정의에 의한 물성치 적용 이외에, 3G와 연계된 물성치 사이트를 통해 다양한 45,000개의 물성치를 3G로 바로 저장하여 모델에 적용할 수 있다.

[ 그림 10. 3G에서 제공하는 물성치 DB(약 45,000개) ]

5.1.4 경계 조건 적용

Tilting Device 모델에 대한 동적 응답 해석 수행에 앞서서, 최소한의 경계조건을 설정한다. 다음은 기본 모델 및 변형 모델의 밑부분에 있는 surface에 대하여 ‘고정' 경계 조건을 적용하였다.

[ 그림 11. 경계 조건 (바닥면 고정) 적용 - 기본 모델(상판 0°) ]

[ 그림 12. 경계 조건 (바닥면 고정) 적용 - 변형 모델(상판 63°) ]

5.1.5 하중 적용

Tilting Device 모델에 대한 하중은 2가지 형태로 정의하엿다. 첫 번째 적용하중은 40Ton(400000kgf)가 순간 충격의 하중으로 Tilting Device의 상단에 적용하는 경우에 대하여 정의를 하였으며, 두 번째 하중은 40Ton(400000kgf)가 충격 후 지속되는 하중으로 Tilting Device의 상단에 적용한 경우에 대하여 정의를 하였다. 정의된 두 가지 형태의 하중을 기본 모델 및 변형 모델에 대하여 각각 적용하였다. 다음은 Tilting Device에서 하중이 적용되는 상단에 대한 형상을 나타내고 있다.

[ 그림 13. Tilting Device 상단에 적용하는 하중 - 기본 모델(상판 0°) ]

[ 그림 14. Tilting Device 상단에 적용하는 하중 ? 변형 모델(상판 63°) ]

[ 그림 15. 하중 40Ton(400000kgf)에 대한 정의 순간 하중 함수/하중 지속 함수 ]

5.1.5 접촉 (Contact) 정의

Inventor9 에서 작업하여 3G로 입력된 모델이 여러 부재로 이루어진 Assembly 모델이므로, 해석에 앞서 모델에 대한 ‘접촉정의' 를 확인하여야 한다. 아래는 본 Tilting Device 구조물에 대하여 3G로 import시 자동적으로 접촉을 정의, 모든 접촉면에 대하여 ‘Bonded'적용, 생성된 것을 확인할 수 있다(3G에서는 모든 접촉면에 대하여 Default로 Bonded로 정의함.). 즉, 모든 Assembly 모델에 대하여 3G에서는 자동적으로 접촉을 정의, 해석을 할 수 있으며, 사용자가 필요 시, 원하는 접촉 면을 선택하여 비선형 접촉(Nonlinear Contact)에 대하여서도 사용자가 쉽게 지정할 수 있다.

[ 그림 16. 접촉(Contact)정의 ]

5.1.6  요소망 생성

3G에서 요소망을 생성 시, 사용자에 의한 별다른 옵션 선택 없이 자동적으로 요소망 생성을 지원하고 있다. 다음은 3G에서의 자동적인 요소망 생성에 관련한 default 사항으로, 3G에서는 입력된 모델에 대하여 자체적으로 그 크기를 판단하여, 평균사이즈를 모델에 맞게 재 생성한다. 또한 해석 시 , Adaptive P-H법을 사용하여, 응력이 집중되는 부분에 대해서는 수렴 판정치를 기준으로 요소를 추가, 해석 결과에 대한 정확도를 높이고 있다.

[ 그림 17. 요소망 생성 기본 Default ]

Tilting Device 모델에 대하여 기본 default를 사용, 생성된 요소망은 다음과 같다. 기본 모델의 경우 생성된 노드는 237675개, 엘리먼트는 118634개 임을 확인할 수 있다.

[ 그림 18. Tilting Device 모델에 대한 요소망 생성 - 기본 모델(상판 0°) ]

변형 모델의 경우 생성된 노드는 218532개, 엘리먼트는 109197개 임을 확인할 수 있다.

[ 그림 19. Tilting Device 모델에 대한 요소망 생성 - 변형 모델(상판 63°) ]

5.1.8 해석 결과

입력된 Tilting Device 모델에 대하여 물성치, 경계조건 및 하중적용을 통한 동적 응답 해석을 수행하였다. 해석 결과는 기본 모델 및 변형 모델에 대하여 두 가지 형태의 하중을 적용, 이에 대한 응답을 확인하였다.

5.1.8.1 기본 Tilting Device 모델에 대한 변위 결과

기본 Tilting Device 모델에 대하여 순간 충격 및 충격 지속 형태의 두 가지 하중을 적용한 경우에 대한 전체 모델에 대한 변위 결과는 다음과 같다. 순간 충격 하중이 0.5sec ~ 0.51sec 동안, 충격 하중 지속이 0.5sec ~ 1sec 동안에 적용되기 때문에, 그 이후의 시간에 대하여 최대 변위가 일어나는 시간에 대하여 각각 모델에 대한 변위를 비교 하였다.

[ 그림 20. 기본 모델에 대한 0.5275sec일 때의 변위 결과(순간 충격 - 최대 0.548 E-2 mm) ]

[ 그림 21. 기본 모델에 대한 0.5419sec일 때의 변위 결과(충격 지속 - 최대 0.1418 E-1 mm) ]

5.1.8.2 기본 Tilting Device 모델에 대한 응력 결과

기본 Tilting Device 모델에 대하여 순간 충격 및 충격 지속 형태의 두 가지 하중을 적용한 경우에 대한 전체 모델에 대한 응력 결과는 다음과 같다

[ 그림 22. 기본 모델에 대한 0.5275sec일 때의 응력 결과(순간 충격 - 최대 1.043 E5 Pa) ]

[ 그림 23. 기본 모델에 대한 0.5419sec일 때의 응력 결과(충격 지속 - 최대 2.671 E5 Pa) ]

5.1.8.3 변형 Tilting Device 모델에 대한 변위 결과

변형 Tilting Device 모델에 대하여 순간 충격 및 충격 지속 형태의 두 가지 하중을 적용한 경우에 대한 전체 모델에 대한 변위 결과는 다음과 같다. 기본 모델과 동일하게 순간 충격 하중이 0.5sec ~ 0.51sec 동안, 충격 하중 지속이 0.5sec ~ 1sec동안에 적용되기 때문에, 그 이후의 시간에 대하여 최대 변위가 일어나는 시간에 대하여 각각 모델에 대한 변위를 비교 하였다.

[ 그림 24. 변형 모델에 대한 0.5265sec일 때의 변위 결과(순간 충격 - 최대 0.1239 E-2 mm) ]

[ 그림 25. 변형 모델에 대한 0.5512sec일 때의 변위 결과(충격 지속 - 최대 0.4206 E-1 mm) ]

5.1.8.4 변형 Tilting Device 모델에 대한 응력 결과

변형 Tilting Device 모델에 대하여 순간 충격 및 충격 지속 형태의 두 가지 하중을 적용한 경우에 대한 전체 모델에 대한 응력 결과는 다음과 같다.

[ 그림 26. 변형 모델에 대한 0.526sec일 때의 응력 결과(순간 충격 - 최대 3.564 E4 Pa) ]

[ 그림 27. 변형 모델에 대한 0.5512sec일 때의 응력 결과(충격 지속 - 최대 1.210 E6 Pa) ]

5.1.8.5 Tilting Device 모델에 대한 결과 비교

기본 및 변형 Tilting Device 모델에 대하여 두 가지 하중을 적용한 경우에 대한 전체 모델에 대한 변위 및 응력 결과에 대한 비교 table은 다음과 같다.

	적용하중형태	변위	응력	시간
기본모델	순간충격하중	0.5480 E-2mm	1.043 E5 Pa	0.5275 sec
충격지속하중	0.1418 E-1mm	2.671 E5 Pa	0.5419 sec
변형모델	순간충격하중	0.1239 E-2mm	3.564 E4 Pa	0.5260 sec
충격지속하중	0.4026 E-1mm	1.210 E6 Pa	0.5512 sec

위의 결과 비교 table을 확인할 때, 순간 충격 하중에 비하여 충격 후 지속 하중이 적용될 때, 변위나 응력에 있어서 더 큰 결과를 나타냄을 확인할 수 있다.

5.2 TILTING DEVICE 의 최적화 해석

5.2.1 TILTING DEVICE 모델링

Tilting Device에 대한 형상 최적화를 수행하기 위해, CAD툴인 Inventor V9을 사용, 모델링을 수행하였다. 모델링 수행 시, 사용자 요구에 따른 형상변경에 대한 결과를 확인하기 위해서, 설계변수를 지정, 설계변수에 따른 형상 변경을 확인하기 위해서 각 설계인자에 대하여 Parametric dimension을 설정하였다. 설계 변수로는 Top Frame 과 Middle Frame 의 두께 치수를 설계변수로 설정하였다. (동적 응답 해석의 inventor V9모델 그림과 동일 함)

5.2.2 3G 모델링 파일 Import

Inventor9을 사용하여 제작된 모델링 된 Assembly Tilting Device 파일을 3G로 Import하였다. 또한 Inventor9 파일에 대하여 3G에서는 모델링에 관련하여 History를 제공, Parametric dimension에 대한 변수로 지정하여 parametric 해석을 수행할 수 있다. Import후의 형상은 다음과 같다.

[ 그림 28. 설계 변수 지정 및 Import 형상 ]

5.2.3 해석(Analysis) Type 설정

3G로 입력된 Tilting Device 모델에 대하여 각 설계 변수 변화에 따른 형상 변경 및 이에 대한결과를 확인하기 위해서 해석영역을 Parametric Dimension 으로 선택, 해석을 수행하였다. 또한 해석 시 필요한 요소망 생성에 관련하여, 사용되는 요소 사이즈에 대하여 확인할 수 있다.

[ 그림 29. 해석 영역 설정 및 요소망 생성 방법 ]

5.2.4 구속 및 하중 조건 적용

Tilting Device 모델에 대하여 우선, 바닥면에 대하여 고정을 정의하였다. 그리고 Top Frame 의 4면에 대해 (40000 kgf)의 하중을 ?z 방향으로 적용하였다.

[ 그림 30. 구속 및 하중 조건 적용 ]

5.2.5 설계 변수를 이용한 Parametric 설계

2.2에서 정의된 설 계 인자에 대하여 Parametric dimension을 적용, 이에 대한 Tilting Device 의 형상 변화를 관찰하였다. 설계 변수로는 Tilting Device 의 Top Frame 과 Middle Frame 의 두께 치수를 설계변수로 잡아 두께가 400mm, 500mm, 600mm 일 때의 총3가지의 설계변수를 적용하였다. 다음의 그림은 두께 변화가 400mm, 500mm, 600mm으로 변할 때의 각각의 형상을 나타내고 있다.

[ 그림 31. 설계 변수를 이용한 Parametric 설계 ]

[ 두께 400mm인 경우 ]		[ 두께 500mm인 경우 ]		[ 두께 600mm인 경우 ]

5.2.6 해석 결과

5.2.6.1 설계 변수 값의 변화에 따른 결과 비교 (400 mm)

구속조건 및 하중 적용에 의한 3G에서의 Parametric dimension에 대한 해석결과는 다음과 같다. 우선 Top Frame 적용된 하중으로 인하여, 일부 부재에 대하여 응력이 발생하였다. 다음은 Frame 의 두께가 400mm 인 경우에 대한 Tilting Device 구조물에 대한 등가 응력 결과이다. 최대 응력 값은 197.8MPa, 최대 변위 값은 2.344mm임을 확인할 수 있다.

[ 그림 32. 두께 400mm인 경우의 응력 결과 ]

[ 그림 33. 두께 400mm인 경우의 변위결과 ]

5.2.6.2 설계 변수 값의 변화에 따른 결과 비교 (500 mm)

다음은 Frame 의 두께가 500mm 인 경우에 대한 Tilting Device 구조물에 대한 등가 응력 결과이다. 최대 응력 값은 149.2MPa, 최대 변위 값은 2.044mm임을 확인할 수 있다.

[ 그림 34. 두께 500mm인 경우의 응력 결과 ]

[ 그림 35. 두께 500mm인 경우의 변위 결과 ]

5.2.6.3 설계 변수 값의 변화에 따른 결과 비교 (600 mm)

다음은 Frame 의 두께가 600mm 인 경우에 대한 Tilting Device 구조물에 대한 등가 응력 결과이다 . 최대 응력 값은 148.6MPa, 최대 변위 값은 1.837mm임을 확인할 수 있다.

[ 그림 36. 두께 600mm인 경우의 응력 결과 ]

[ 그림 37. 두께 600mm인 경우의 변위 결과 ]

5.2.6.4 설계 변수 값의 변경에 따른 Tilting Device 구조물에서의 최대 응력 및 변위 값 비교

정의된 설 계 인자에 대하여 Parametric dimension을 적용, 이에 대한 Tilting Device 의 형상 변화에 따른 해석 (등가 응력 및 변위)을 수행하였다. 설계 변수로는 Tilting Device 의 Top Frame, Middle Frame의 두께의 치수 변화가 400mm, 500,mm, 600mm으로 변경 될 때의 3가지 경우를 설정하였다. 3G에서의 Parametric Dimension해석 기법을 이용, 3가지 경우에 대한 모델의 해석을 수행하였다. 아래의 표는 각각의 설계변수 값의 변화에 따른 응력 및 변위의 값을 비교한 것이다.

[ 설계 변수 값의 변화에 따른 최대 응력 , 변위 값 비교 ]

위의 결과표에서 확인되는 바와 같이 두께가 400mm 일 때와 500mm 일 때의 최대 응력값의 차이가 52Mpa 정도 되었으나 500mm 와 600mm 일 때의 최대 응력값 차이는 크지않는다는 것을 확인할 수 있다. 이 의미는 3가지의 형상에서 두께가 500mm 이상이 되면서 모델에 받는 최대 응력값의 변화가 크지 않기 때문에 구조물이 안정화 되었다고 볼 수 있으며, 실 제품을 제작 시 600mm 보다 500mm 가 원자재비 절감 및 시간을 절약할 수 있어 500mm 가 최적의 조건이라고 할 수 있다.

5.2.6.5 Tilting Device 의 최적 형상 내보내기

각각의 설계 변수를 이용 , 이에 대한 해석 결과로부터, Tilting Device 대한 최대응력 값을 만족하는 형상 설계변수 값을 구하였다. 3G내에서는 “형상 내보내기” 기능을 사용하여, 현재 최적화된 형상을 비롯, Parametric으로 설계된 모든 형상에 대하여 CAD모델을 생성할 수 있다. 즉, 초기에 3G로 모델 입력 시, Inventor9 로 받아들인 경우에는 , 형상 내보내기 기능을 사용, 동일한 cad파일, 즉, Inventor9 모델 파일로 내보낼 수 있다.

[ 그림 38. 최적화된 Tilting Device 형상의 Inventor9 모델로 저장 ]

[ 그림 39. 최적화된 Tilting Device 모델을 Inventor9 로 받아들인 형상 ]

최적화된 Tilting Device 형상에 대하여 3G 내에서 형상내보내기 기능을 통해 CAD Tool 을 사용하지 않고서도 최적화된 형상의 CAD 파일로 저장할 수 있다. 3G 의 완벽한 양방향 호환성을 바탕으로 설계자는 하나의 모델을 가지고 여러 형상의 해석을 수행할 수 있고 해석 후 최적화된 모델을 CAD 파일로 저장할 수 있어 설계자는 설계 및 해석 작업에 있어서 그만큼 시간을 줄일 수 있다.

6. 결론

Tilting Device 모델에 대하여 Inventor9 를 사용 , 모델링을 수행하였다. 우선 Tilting Device모델에 대하여 기본모델 및 Top frame이 각도를 가지고 기울어져 있는 변형 모델에 대하여 각각 동적 응답 해석을 수행하였다. 동적 응답에서 적용된 하중으로는 수직 충격 하중 및 충격하중이 지속적으로 적용되는 두 가지 경우에 대하여 해석을 수행, 각각의 경우에 대하여 결과를 비교 분석하였다. 또한 Parametric dimension을 수행하기 위하여, 각 설계변수를 지정하여 설계변수 값의 변경에 따른 형상 변화를 확인하였다. 또한 주어진 하중을 적용, 각 형상 별 응력 비교를 통하여, 최대 응력을 받는 최적의 Tilting Device 형상을 구하였다. 또한 3G내에서 선택된 최적의 Tilting Device 형상에 대하여, 형상 내보내기 기능을 사용하여 inventor9파일로 저장, 최적 형상에 대한 모델 파일을 바로 획득하였다.

7. 맺음말

㈜ 삼우기계는 구조해석은 기본이고 , 충격해석, 열 해석을 통하여 구조물의 미세한 부분의 문제를 해결하고, 자체의 기술축척을 기본으로 기술경쟁에서 한발 한발씩 전진하고 있다. 3G를 적용하면서 설계자들은 본인이 설계한 제품에 대하여 본인이 구조적인 문제점을 바로 찾아 내고, 각종 구조해석 및 충격해석을 통하여 구조적인 문제를 해결하고 있으며, 또한 열 해석을 통하여 열 변형/열 응력/열 전도 등에 대한 결과를 예측 할 수 있었다. 이를 바탕으로 설계자들은 본인이 설계한 제품에 대하여 설계 자신감을 얻게 되어 보다 경쟁력 있는 제품을 빠른 시간 내에 생산해 내고 있다.

3G 는 제품에 있어서 짧아진 Life Cycle에 맞게 설계자들이 설계하고 빠르게 검증하는 설계자용 CAE 프로그램이라고 할 수 있다. 따라서 현 산업사회에서 반듯이 요구하는 기술경쟁력에서의 확보와. 빠른 시간 내에 성능 좋은 제품개발을 해 나갈 수 있다.

이런 이유로 3G는 국내 및 국외의 글로벌 기업들이 앞다투어 도입을 하고 있는 것이라고 판단된다. 또한 3G는 모든 산업장비 업체의 설계자들이 바쁜 일정에도 빠르게 기술적인 대응을 할 수 있는 유일한 프로그램이라고 생각된다.

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