본문내용
1. 서론
1.1. 해석 대상
다이소 빨래 건조대는 작성자가 사용하고 있는 제품이다. 작성자는 약 1년간 이 건조대를 사용하면서 빨래를 널 때 건조대의 처짐이나 늘어남 등의 변형이 발생하였음을 관찰하였다. 따라서 이번 선형정적해석을 통해 건조대에 작용하는 하중과 변형 양상을 분석하고 개선 방안을 모색하고자 한다.
건조대의 부품은 BODY, WING, LONGBAR, SHORTBAR, HINGEPIN, LEGHINGEPIN, OUTERLEG, INNERLEG, ESSENTIALCOMPONENT로 구성되어 있다. 각 부품의 치수는 실물 측정 및 제품 정보를 참고하여 모델링하였다. 대부분의 부품이 원기둥 형태로 이루어져 있어 Sweep 기능을 활용하여 모델링의 난이도를 낮출 수 있었다. 또한 대부분의 재료가 강철로 이루어져 등방성 재료 조건을 만족한다.
해석 목적은 건조대에 빨래를 널었을 때 어느 부분에 하중이 집중되고 변형이 발생하는지 분석하여 개선 방안과 경제성에 대해 고찰하는 것이다. 모델링과 해석은 실제와 유사한 조건을 구현하고자 하였으나, 현재 작성자의 능력으로는 완전히 일치시키기 어려운 한계가 있었다. 따라서 최대한 유사하게 모델링과 해석을 진행하여 의미 있는 결과를 도출하고자 하였다.
전처리 과정에서는 선형정적해석을 수행하며, 건조대 살에 균일분포하중이 작용한다고 가정하였다. 또한 모든 부품은 등방성 재료인 Structural Steel과 Polypropylene을 사용하였고, 비선형성은 고려하지 않았다. 건조대 살의 직경과 개수는 해석 효율성을 위해 실제보다 크게 설정하였다.
모델링 과정에서는 BODY, WING, LONGBAR, SHORTBAR, HINGEPIN, LEGHINGEPIN, OUTERLEG, INNERLEG, ESSENTIALCOMPONENT를 각각 구현하였다. 부품들의 조립은 Bonded와 No Separation 조건을 사용하여 실제와 유사한 상황을 구현하고자 하였다.
Mesh 생성 시 Sweep, Sizing, MultiZone, Sphere of Influence 등의 기법을 활용하여 Element Quality를 향상시켰다. 특히 HINGEPIN, BODY와 LONGBAR의 결합 부위 등 중요 부위의 Mesh 정밀도를 높였다.
구속조건은 ESSENTIALCOMPONENT의 바닥을 Fixed Support로 설정하였고, 하중조건은 LONGBAR와 SHORTBAR 상부에 균일분포하중으로 설정하였다.
해석 결과, 전체 변형량의 최댓값은 0.95384mm, 평균값은 0.28015mm로 나타났다. 주요 부품별로는 LONGBAR에서 최대 변형량이 발생하였고, HINGEPIN에서 최대 응력이 발생하였다. 하지만 모든 부품의 응력 수준이 재료의 허용 강도를 충분히 만족하는 것으로 확인되었다.
추가로 BODY, WING, LEG를 Hollow Cylinder로 변경한 구조 변경 모델에 대해서도 해석을 수행하였다. 변형량은 오히려 감소하였지만, HINGEPIN의 최대 응력이 Yield Strength에 근접하여 구조 변경은 적절하지 않은 것으로 판단된다.
전반적인 해석 결과를 통해 다이소 빨래 건조대는 안전한 수준의 변형과 응력 분포를 보이는 것으로 확인되었다. 다만 선형정적해석의 한계로 인해 실제와 다른 결과가 도출될 수 있으며, Mesh 품질 및 모델링 단순화 등의 가정으로 인해 정확도에 어느 정도 제한이 있었다. 향후 비선형 해석, 동적 해석 등 보다 정밀한 해석 방법을 활용하고 실험 데이터와의 비교를 통해 이러한 한계를 극복할 필요가 있다.
1.2. 선정 이유
일부 치수가 이미 측정되어 제품 정보에 명시되어 있고, 직접 측정할 수도 있기 때문에 모델링과 해석에 정확도를 높일 수 있다. 대부분 원기둥 형태로 이루어져 있어서 Sweep을 사용할 수 있기 때문에 모델링 난이도가 낮을 것으로 예상되었고, 해석 시에도 Sweep method를 사용하여 Mesh Quality를 높일 수 있을 것으로 예상되었다. 재료가 대부분 Steel로 이루어져 있기 때문에 등방성 재료의 조건을 만족한다.
1.3. 해석 목적
다이소 빨래 건조대의 해석 목적은 자취생이 자취방에서 빨래 건조대를 사용할 때 빨래를 널었을 때 어느 부분에 하중이 집중이 되고, 변형이 발생하는지를 분석하여 개선 방안, 경제성 등에 대해 고찰해 보는 것이다.
건조대의 부품들과 여러 조건들이 실제 상황과 완전히 일치하도록 해석을 진행하는 것은 현재 작성자의 능력으로는 불가능하겠지만, 최대한 유사하게 모델링과 해석을 진행함으로써 의미 있는 해석 결과를 도출할 것이다.
2. 전처리 과정
2.1. 가정
선형정적해석을 수행하기 위해 다음과 같은 가정들을 하였다.
선형정적해석을 수행한다. 건조대에 세탁물을 최대한 넓게 펼쳐서 널기 때문에 건조대의 살의 수직 아래 방향으로 균일분포하중이 작용한다고 가정한다. 빨래를 널고 있는 시간이 최소 12시간 이상이고 그동안 세탁물이 건조되어 물이 증발함으로써 실제로는 시간에 따라 작용하중과 변형량이 변할 것이지만 일정하다고 가정한다.
재료는 등방성 재료만 사용한다. 실제 제품의 재질은 대부분 스틸로 이루어져 있으므로 모든 부품을 Structural Steel로 설정한다. 바닥의 고무패드의 재료는 고무이...
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