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Ansys 를 이용한 자동차 Brake Pedal 과 Piston rod 의 응력 및 고유 진동수 해석

자동차 Brake Pedal 과 Piston rod 의 응력 및 고유 진동수 해석1. 개요자동차 브레이크 : 자동차 브레이크는 주행 중인 자동차의 속도를 감속하거나 정지시키는 역할을 한다. 브레이크의 작동 원리는 운전자가 브레이크 Pedal을 밟는 힘이 Piston rod와 마스터 실린더에 전달되어 바퀴에 달린 슈(Shoe)가 드럼을 마찰로 정지시키는 것이다. 브레이크의 Piston rod와 마스터 실린더는 힘을 전달하기 때문에 매우 튼튼해야 한다. 따라서 이번 과제에서는 자동차 브레이크를 Modeling 하여 Piston rod에 가해지는 응력과 변형, 그리고 공진에 의한 파괴를 막기 위한 고유 진동수에 대해 해석하였다.2. Modeling의 요소와 물성치 결정Modeling을 하기 전에 요소와 물성치를 결정해야 한다. 자동차의 브레이크는 앞에서도 말했듯이 강력한 힘을 전달해야 한다. 따라서 재료는 Steel로 결정했다. Steel의 밀도와 Possion’s Ratio, 그리고 Young’s Modulus를 조사하여 수치를 입력하였다. Steel의 물성치는 다음과 같다.Density : 7850 kg/m3Possion’s Ratio : 0.30Young’s Modulus : 210 GPa또한 3D Modeling을 위해서 Element Type은 Solid의 Brick 8 node 185로 결정하였다. 컴퓨터의 성능과 정밀도를 고려하여 Element Type을 결정해야 한다.3. 자동차 Brake의 구조자동차의 Brake는 위의 그림과 같이 운전자가 Pedal을 밟으면 Piston rod가 실린더 안의 유체에 압력을 가하는 구조로 되어 있다. 이번 Modeling에서는 구조를 단순하여 힘을 받는 Piston rod와 pedal만 만들고, 자유도 구속을 통해 Pin 부분을 대체할 것이다.4. Modeling 과정3D Modeling을 위해서 먼저 Element Type에서 Brick 8node 185로 요소를 선택한다.Material Models에서 앞에서 주.Modeling - Block에서 좌표를 입력하여 Block을 만든다. Model의 단순화를 위해서 직육면체로만 구성했다.(1) X(0,0.05) Y(0,0.3) Z(0,0.05)(2) X(-0.05,0.35) Y(0.3,0.35) Z(0,0.05)(3) X(0.3,0.4) Y(0.35,0.36) Z(-0.025,0.075)(4) X(-0.025,0.075) Y(0,-0.05) Z(-0.025,0.075)Modeling – Operate – Booleans – Volumes에서 모든 Block을 하나로 합쳐준다. Mesh 과정에서 충돌이 없게 하나의 개체로 만드는 작업이 필요하다.Mesh Tool에서 Smart Size를 1로 정밀하게 맞춘 뒤에 Mesh를 진행한다. Pick All을 선택하여 모든 부분을 Mesh한다.Solution – Apply - Displacement에서 자유도를 구속한다. 2번 블럭의 왼쪽 부분은 All DOF로 구속하고 Piston 부분은 Y방향만 -0.1m 의 구속을 준다.면적에 골고루 힘을 가하기 위해 Pedal 부분에 위의 그림과 같이 -5000 Pa 의 힘을 가한다. 이로써 모든 Modeling은 끝이 났다.5. 해석 과정Solution - Current LS를 클릭하여 해석을 진행한다.Plot Results – Deformed Shape에서 전체적인 변형을 확인한다. 힘을 (–) 방향으로 가했기 때문에 Pedal을 밟은 것과 같은 형상이다. Piston rod는 그림에서 11시 방향으로 굽어있다. 또한 최대 변형량은 0.385832로 계산된 것을 알 수 있다.Contour Plot의 Nodal Solution에서 Displacement Vector Sum을 클릭하여 전체적인 변형량을 알아본다. Pin 부분은 자유도를 구속했기 때문에 가장 적은 변형이 일어났고, Pedal 부분은 자유도 구속이 없고 힘을 직접적으로 받기 때문에 최대 변형이 일어났다.다음은 Nodal Solution – Von mises stress를 선택하여본다. 최대응력은 107GPa 이고, 최소응력은 3485Pa 이다. Pin의 자유도가 구속되어 응력이 집중되고 Piston rod는 굽힘이 일어나는 바깥쪽 부분만 최대 35.7GPa의 응력이 발생한다.6. 고유 진동수 해석이번에는 같은 Model의 고유진동수를 해석한다.먼저 Analysis Type에서 New Analysis를 선택하여 Modal로 바꿔준다. Analysis Option에서 mode의 수를 4차까지 설정한 후에 End Frequency는 1000Hz로 설정한다.다시 Current Ls를 클릭한 후에 Read Result에서 First Set을 불러들인다.1차 고유 진동수는 271.146 Hz로 확인할 수 있다. 변화 형상 그림과 같이 나타난다. 위의 방법으로 Next Set을 클릭하여 2차부터 4차까지 고유 진동수를 확인한다.다음 결과들을 통해 각 차수별 고유 진동수와 형상을 확인할 수 있다. 2차는 309.323 Hz, 3차는 366.416 Hz, 4차는 454.376 Hz로 고유 진동수가 나타난다.7. 결론자동차의 Brake에는 엄청난 힘이 가해지기 때문에 탄소강과 같은 복합 재료를 사용하여 매우 튼튼하게 만들어야 한다. Ansys를 통한 해석 과정에서 Piston rod 뿐만 아니라 지렛대 역할을 하는 Pin 부분도 많은 응력이 가해진다는 것을 알 수 있었다. 최대 107GPa 이상을 견딜 수 있는 재료를 사용하여 안전하게 Brake를 만들어야 한다. 또한 Piston rod도 35.7 GPa 이상의 응력을 견뎌야 파손이나 변형이 덜하고 제대로 작동할 수 있다는 것을 알 수 있다. 고유 진동수 해석에서는 차량 운행 중 떨림이 많이 일어나기 때문에 해석 결과와 같은 고유 진동수를 참고하여 방진 설계를 해야 한다. CAE를 통해 공학적으로 타당성 여부를 쉽게 확인할 수 있기 때문에 Ansys와 같은 Tool에 더욱 익숙해질 수 있도록 노력해야 한다.8. Log file/BATCH/COM,ANSYS RELEASE 12.1 UP20091102 1input,menust,tmp,'',,,,,,,,,,,,,,,,1/GRA,POWER/GST,ON/PLO,INFO,3/GRO,CURL,ON/CPLANE,1/REPLOT,RESIZEWPSTYLE,,,,,,,,0/REPLOT,RESIZE!*/NOPR/PMETH,OFF,0KEYW,PR_SET,1KEYW,PR_STRUC,1KEYW,PR_THERM,0KEYW,PR_FLUID,0KEYW,PR_MULTI,0/GO!*/COM,/COM,Preferences for GUI filtering have been set to display:/COM, Structural!*/PREP7!*ET,1,SOLID185!*!*MPTEMP,,,,,,,,MPTEMP,1,0MPDATA,DENS,1,,7850MPTEMP,,,,,,,,MPTEMP,1,0MPDATA,EX,1,,210000000000MPDATA,PRXY,1,,0.30BLOCK,0,0.05,0,0.3,0,0.05,BLOCK,-0.05,0.35,0.3,0.35,0,0.05,BLOCK,0.3,0.4,0.35,0.36,-0.025,0.075,/VIEW,1,1,1,1/ANG,1/REP,FAST/USER, 1/DIST, 1, 0.274270378989/ANG, 1, -46.8000000000/REPLO/FOC,1,,-0.3,,1/REP,FAST/FOC,1,,0.3,,1/REP,FAST/FOC,1,,0.3,,1/REP,FAST/FOC,1,,0.3,,1/REP,FAST/FOC,1,,0.3,,1/REP,FAST/FOC,1,,-0.3,,1/REP,FAST/FOC,1,,-0.3,,1/REP,FASTBLOCK,-0.025,0.075,0,-0.05,-0.025,0.075,FLST,2,4,6,ORDE,2FITEM,2,1FITEM,2,-4VADD,P51XSMRT,6SMRT,6SMRT,5SMRT,4SMRT,3SMRT,2SMRT,1SMRT,1SMRT,1SMRT,1MSHAPE,1,3DMSHKEY,0!*CM,_Y,VOLUVSEL, , , , 5CM,_Y1,VOLUCHKMSHVMESH,_Y1!*CMDELE,_YCMDELE,_Y1CMDELE,_Y2!*FINISH/SOLFLST,2,2,5,ORDE,2FITEM,2,11FITEM,2,21FLST,2,1,5,ORDE,1FITEM,2,11!*/GODA,P51X,ALL,FLST,2,1,5,ORDE,1FITEM,2,21!*/GODA,P51X,UY,-0.1FLST,2,1,5,ORDE,1FITEM,2,16/GO!*SFA,P51X,1,PRES,-5000/STATUS,SOLUSOLVEFINISH/POST1PLDISP,2PLDISP,2!*PRNSOL,U,Y!*/EFACET,1PLNSOL, U,SUM, 0,1.0!*!*!*/EFACET,1PLNSOL, S,EQV, 0,1.0/VIEW,1,,,1/ANG,1/REP,FAST/VIEW,1,1/ANG,1/REP,FAST/VIEW,1,1,2,3/ANG,1/REP,FAST/VIEW,1,1,1,1/ANG,1/REP,FAST/VIEW,1,1,2,3/ANG,1/REP,FAST/VIEW,1,,,-1/ANG,1/REP,FAST/VIEW,1,1/ANG,1/REP,FAST/VIEW,1,,,1/ANG,1/REP,FAST/VIEW,1,,,-1/ANG,1/REP,FAST/VIEW,1,1/ANG,1/REP,FAST/VIEW,1,,,1/ANG,1/REP,FAST/VIEW,1,-1/ANG,1/REP,FAST/DIST, 1, 0.343818109945/REPLO/VIEW,1,1,2,3/ANG,1/REP,FAST!*/EFACET,1PLNSOL, S,INT, 0,1.0FINISH/PREP7FINISH/SOL!*ANTYPE,2!*!*MODOPT,LANB,5EQSLV,SPARMXPAND,5, , ,0LUMPM,1PSTRES,0!*MODOPT,LANB,5,0,1000, ,OFF/STATUS,SOLUSOLVEFINISH/POST1SET,FIRSTPLDISP,2!*SET,NEXTPLDISP,2SET,NEXT!*PLDISP,2SET,NEXTPLDISP,2SET,NEXTPLDISP,2SET,LASTPLDILL

공학/기술| 2013.01.13| 19페이지| 1,500원| 조회(497)

ansys, CAE, 고유진동수, 응력 해석

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최적 설계 : 선형 및 비선형 문제 풀이 (Ansys, k-opt 이용)

선형 주제 : 각 나라가 최대로 사용할 수 있는 에너지양1. 개요 : 올 여름 정전 대란으로 최근 에너지 수요 문제가 중요한 이슈로 떠오르고 있다. 특히 우리나라는 에너지의 원천이 되는 화석 연료(석유, 가스, 석탄)와 우라늄을 거의 대부분 수입을 하고 있기 때문에 시간이 지날수록 에너지 고갈에 대한 우려가 늘어나고 있다.화석 연료는 매장된 곳이 편중되어 있고 매장량도 많지 않기 때문에 전 세계적으로도 자원을 차지하기 위한 전쟁과 분쟁이 계속 되고 있다. 그렇다고 당장 에너지의 사용량을 줄일 수도 없는 노릇이기에 평화적으로 아주 공평하게 에너지를 나누어 쓴다고 가정하고 에너지 소비량이 전 세계에서 가장 많은 한국, 미국, 중국, 일본을 대상으로 현재 자원의 매장량에서 최대한 쓸 수 있는 에너지양을 선형 모델을 통해 알아보자※ 에너지원의 대부분은 석유, 가스, 석탄, 원자력이다.2. 전 세계의 화석 연료와 우라늄 연료의 매장량은 얼마나 되는가? (제약 조건)현재 석유는 122000(백만톤) 가스는 97000(백만톤) 석탄은 535000(백만톤)이 매장되어 있는 것으로 알려져 있다. (단위는 석유 환산 톤 / 백만톤)3. 한국, 미국, 중국, 일본의 에너지 소비량은 어느 정도의 차이가 있는가? (제약 조건)자원마다 나라마다 소비량이 다르긴 하지만 단위를 석유 환산 톤으로 정한 이유는 모델을 단순화하기 위한 것이므로 여기서는 상대적인 차이만 가정할 것이다. 가정을 해보면 미국은 나라가 크기 때문에 한국보다 3배 이상 에너지를 많이 쓰고 중국은 제품을 많이 만들어 수출하므로 미국보다 2배의 에너지를 쓴다고 가정한다. 또한 미국과 일본은 온실가스를 줄이기 위해 석탄을 전혀 쓰지 않고 일본은 원전 사고로 인하여 원자력 연료를 전혀 쓰지 않는다고 가정한다.석유가스석탄우라늄총 합한국0.30.10.10.51미국0.50.200.31중국0.20.20.50.11일본0.50.50014. 네 나라의 석유, 가스, 석탄, 원자력 에너지양의 사용 비율을 가정하자.5. 수학적 모델을 세우고 문제를 해결하여 최적값을 찾아낸다.먼저 목적 함수를 지정한다. 각 나라가 사용할 수 있는 에너지의 합이므로 목적 함수는 P = a(한국) + b(미국) + c(중국) + d(일본) 으로 식을 세울 수 있다. 다음으로 제약 조건을 지정한다. 각 자원의 매장량 수는 각 나라 사용량의 합을 넘어설 수 없기 때문에 다음과 같은 식을 세울 수 있다.0.3a+0.5b+0.2c+0.5d10000마지막 식에서 에너지를 아예 사용하지 않는 나라가 없도록 각 나라당 10000(백만톤) 이상은 에너지를 분배 받을 수 있도록 조건을 넣었다.이제 K-OPT를 사용하여 답을 구해보자. 먼저 K-OPT에 다음과 같은 식을 넣는다.max a+b+c+dst 0.3a+0.5b+0.2c+0.5d10000end해석 결과 : 위의 그림에서 알 수 있듯이 각 나라별로 에너지 사용 비율과 제약 조건에 따라 공평하게 나눴을 때 한국은 총 39000(백만톤), 미국은 117000(백만톤), 중국은 234000(백만톤), 일본은 10000(백만톤)의 에너지를 분배 받게 된다. 따라서 이들 네 나라에게 현재 매장된 자원내에서 에너지를 공평하게 나눠주려면 총 400000(백만톤)의 석유로 환산한 에너지가 필요하다. 현재 석유, 석탄, 가스 매장량의 합은 754000 이므로 354000가 분배하고도 남게 되지만 일본은 우라늄과 석탄을 사용할 수 없기 때문에 10000(백만톤)의 에너지를 분배받게 된다. 석유의 쌍대변수는 3.33으로 앞으로 석유 1(백만톤)을 발견하면 분배할 수 있는 총 에너지의 양은 3.33(백만톤)이 더 늘어난다. 가스, 석탄, 우라늄의 여유변수는 각각 17900, 414100, 4400 (백만톤) 인데 사용량에 따라 최적으로 분배하고도 이 정도의 에너지가 남는다. 석탄은 미국과 일본이 온실가스 때문에 쓰지 않아 그만큼 분배하고도 많이 남는다.민감도 분석(1) 목적 함수의 변화 : 위의 결과에서 목적식 계수의 민감도 분석을 보면 한국의 경우 분배 받은 에너지양의 6배까지 재분배 받아도 네 나라가 쓸 수 있는 최적의 에너지양은 변함이 없고 미국과 중국은 오히려 최적값이 분배 받을 수 있는 최대 마지노선이다. 일본은 1.67배까지 에너지를 분배 받아도 네 나라가 총 분배 받는 에너지양에는 변화가 없다. 또한 일본이 아예 에너지 분배를 받지 못하더라도 한국, 미국, 중국이 받을 수 있는 총 에너지양은 변화가 없다.(2) 우변항의 변화 : 위의 결과에서 우변의 민감도 분석을 보면 석유는 35000 (백만톤) 이상 생산해야 최대의 분배가 가능하고 가스는 79100 (백만톤) 이상 생산해야 한다. 석탄은 120900 (백만톤) 이상 생산해야 하고 우라늄은 55600 (백만톤) 이상 있어야 에너지양을 최대로 분배할 수 있다.비선형 주제 : 책상의 재료를 최소로 할 수 있는 크기는?1. 개요 : 책상은 학교나 사무실 등에서 많이 볼 수 있다. 공부할 때도 쓰고 작업을 할 때도 필요하기 때문에 그 쓰임새가 다양하다. 그러나 책상은 언뜻 보면 간단하게 만들 수 있지만 재료가 하중을 버틸 수 있을 만큼 단단해야 하고 크기도 사람이 쓸 수 있게 적당히 커야 한다. 책상을 만드는 입장에서는 어느 정도의 조건을 만족해야 상품화 할 수 있기 때문에 쓰임새에 따라 다양한 제약 조건을 생각해야 하고 무엇보다도 가격이 가장 중요하기 때문에 재료를 최대한 적게 쓰면서 튼튼해야 한다. 그래서 책상을 모델링 해보고 다양한 조건을 만족하면서 부피를 최소화 할 수 있는 모델을 찾기로 했다.2. 책상의 크기는 어느 정도가 적당한가? (제약 조건)성인 기준으로 높이는(Z축) 0.7m 이상 되어야 하고 폭은(X축) 0.7m 이상, 길이는(Y축) 0.5m 이상 되어야 앉을 수 있다.3. 책상에 가해지는 하중은 어느 정도이며 변형량의 한계는 어디까지인가?책상은 최대 800N의 힘을 견뎌야 하고 위의 최소 길이를 이용한 모델링에서보다 변형량이 작아야 한다.4. 재료는 무엇으로 할 것인가?재료는 변형이 적은 강철을 사용하였고 탄성계수는 200*E9로 정했으며 포아송비는 0.33 이다.5. ANSYS를 이용한 모델링 및 제약 조건 구하기모델링 전에 사전 작업으로 물성치를 지정해주고 책상의 대략적인 최적화 수치를 정해서 설계를 한다. 구속 조건은 책상 다리 아래 면의 자유도를 모두 구속해주고 책상 윗면으로는 등분포 하중을 가해준다.책상 위로 800N의 힘이 가해지는 한계 조건을 주어 모델링을 한다. 길이, 폭, 넓이는 각각 0.5m, 0.8m, 0.8m 로 지정했다. SOLID 95를 Element Type 으로 지정하고 Mesh는 Size 3로 지정하여 실행했다. 재료 물성치는 위와 같이 넣어주고 모델링하여 X, Y, Z의 변위와 책상에 가해지는 응력을 구하였다. 위의 마지막 그림은 부피를 최대로 줄이기 전의 변형 모습이며 최대 변형량이 0.449*10-3 인 것을 알 수 있다.위의 그림에서 Z축(높이) 방향의 최대 변형량은 0.404 * 10-3 m 이다. 따라서 외팔보에 800N을 가했을 때의 경우를 생각하여

공학/기술| 2012.01.11| 13페이지| 1,000원| 조회(413)

원자력, 석유, ansys, 가스, 석탄, 최적설계, k-opt, 에너지양, 최적 설계..

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고장력강 용접

- 목 차 -1. 고장력강(High Tensile Steel)이란?2. 고장력강의 분류3. 고장력강의 용접성4. 경화성과 연성5. 용접 균열6. 용접 시공법7. 고장력강의 이용 사례1. 고장력강(High Tensile Steel)이란?(1) 개요 : 보통 강보다 인장강도가 높은 강으로 인장강도가 50kg/mm2 이상인 강을 의미하며?하이텐이라고도 한다. 항장력, 즉 인장강도에 따라 60킬로 하이텐 또는 80킬로 하이텐 등으로 분류한다. 고장력강은 0.2% 정도의 탄소를 함유한 탄소강에 규소 · 망간 · 니켈 · 구리 등을 소량 첨가하여 강도를 높이고, 구조물의 중량 경감과 성능을 향상시킨다. 탄소강에서 발전된 일군의 고장력강을 저합금고장력강이라고 한다. 리벳을 박는 대신, 용접으로 배나 차량 · 보일러 · 교량 등을 만들기 위해서 용접성이 좋은 재료를 만들기 시작했고, 다시 담금질·뜨임 등 열처리에 의해서 강도가 향상되어 80∼100킬로의 고장력강이 나타났다. 오늘날에는 고장력강이 여러 가지 상품으로 만들어지는데, 200종 이상이 존재한다.?(2) 고장력강의 요구 조건· 용접 터짐이나 취성이 없는 접합성(취성 파괴가 없는 성질)· 기계적 성질이 우수해야 한다.· 가공성이 우수해야 한다.· 내식성(침식이나 부식을 잘 견디는 성질)이 우수해야 한다.· 다량 생산에 적합하며 경제성이 있어야 한다.2. 고장력강의 분류(1) 열처리에 의한 분류 : 고장력강은 그 강도와 용도에 따라 제조법이 다르다. 예를 들면 인장강도가 490MPa급 강과 일부 588MPa급 강은 비퀜칭-템퍼링처리, 즉 압연 그대로 제조하거나 혹은 Normalizing 또는 Normalizing-Tempering 처리를 하여 제조한다. 그러나 그 이상의 강도를 갖는 고장력강 대부분은 퀜칭-템퍼링 처리를 하여 제조한다.※ 스프레이 퀜칭(Quenching) 과정· 비퀜칭-템퍼링 고장력강 : 490MPa급 강은 일반적으로 Si-Mn 계 고장력강으로 불리며, 기본 성분은 탄소와 규소 망간이다. 압연 그대로 혹 하면 동일 성분의 비퀜칭-템퍼링 강보다 높은 강도를 얻을 수 있다. 따라서 적은 합금원소의 첨가로 동일한 강도의 강을 제조할 수 있기 때문에 용접성을 향상시킬 수 있다. 퀜칭-템퍼링 강은 인성이 우수하기 때문에 교량, 압력용기, 수압철관 등 안정성이 중시되는 구조물에 널리 사용되고 있다. 그러나 열간 가공 등 고온의 열이력을 받으면 조직 변화에 의하여 연화하기 때문에, 용접 후 응력제거 어닐링이나 선상가열 등에 주의를 하여야 한다.※ Tempering(템퍼링 - 뜨임) 용광로(2) 특별한 특성에 따른 분류· 저온용 고장력강 : 액화가스의 사용이 급증함에 따라 그 저장탱크나 수송을 위한 장치 등에 저온용 고장력강의 수요가 증대되고 있다. 저온용 고장력강은 저온에서 인성의 보증이 요구되는 고장력강을 의미한다. 저온용 고장력강으로 가장 수요가 많은 것은 추운 지역에서 사용되는 라인파이프의 강재이다.· 고온용 고장력강 : 고온 장치에 사용되는 0.5% 몰리브덴(Mo) 강이나 Cr-Mo 강의 대부분은 상온에서 인장강도가 490MPa 이상으로, 고온용 고장력강으로 분류된다. 이들 강은 노멀라이징 또는 노멀라이징-템퍼링 처리로 제조되며, 원자로 압력용기 등 매우 두껍고 고강도가 요구되는 곳에 사용되는 강은 퀜칭-템퍼링 처리한다.· 내후성 고장력강 : 내후성강은 대기, 비, 해수 및 황산 등에 강한 강재로서 비퀜칭-템퍼링 또는 퀜칭-템퍼링 처리를 하여 제조된다. 내후성은 Cu 첨가에 의하여 향상되며 P, Cr, Ni 을 동시에 첨가하면 그 특성이 더욱 향상된다고 알려져있다. 이들 합금원소를 함유하는 내후성강은 표면에 보호성의 층을 형성하여 대기부식을 억제한다. 내후성강은 철도차량, 자동차, 건설기계, 교량, 저장탱크, 건축, 송전철탑 등에 사용되며 표면을 도장하여 사용하거나 무도장으로 사용하기도 한다. 일반적으로 강판 표면에 붉은 녹이 아닌 흑갈색 혹은 짙은 자색의 안정한 녹이 형성되기 때문에 보통강을 무도장으로 사용하는 것보다 아름답다.3. 고장력강의 용접성용접부 조직변위해서는 조직의 미세화와 산소함량의 저감이 가장 중요하다.(2) 용접열 영향부 : 용접부의 기계적 성질은 용접 후 800℃ ~ 500℃ 까지의 냉각 시간에 지배되며, 이 냉각 시간은 용접법, 입열량, 예열온도, 강재 크기, 이음부 형상에 의해 변화한다. 각종 용접법에서 용접부, 특히 용융선 부근의 열사이클은 용접부 특성을 결정하는 중요한 인자이기 때문에 이 부분에서의 냉각과정을 추정하기 위하여 많은 실험식과 노모그라프가 제안되어 있다.(3) 취화 원인 : 일반적으로 용접입열량이 증가하면 고온으로 가열되는 시간과 냉각 시간이 증가되어 오스테나이트 결정립 및 변태 후의 조직도 조대화된다. 따라서 588MPa 이상의 고장력강에서는 상부 베이나이트가 생성되지 않도록 입열량을 엄격히 제한하여야 한다.(4) 취화 경감 대책 : 열영향부 취화를 경감하기 위해서는 취화의 원인으로부터 알 수 있듯이 오스테나이트 결정립 성장을 방지하고 상부 베이나이트의 생성을 억제하여야 한다. 또한 인성에 유해한 불순물을 저감시키는 한편 인성 향상에 효과적인 원소를 첨가하여 기지 자체의 인성을 향상시킬 필요가 있다. 고온에 있어서 결정립 성장을 위한 구동력은 결정립 성장에 따른 입계 면적의 감소, 즉 계면에너지 감소에 해당한다. 만약 이 때 석출물이 존재하면 결정립 성장이 억제되며, 석출물이 미세하게 다량 분포할수록 결정립 성장의 억제효과는 크다.4. 경화성과 연성(1) 경화성 : 용접열 영향부의 경도는 용융선을 경계로 하여 불연속적으로 변화한다. 용융선에 접하는 선을 따라 측정하면 경도분포는 완만한 곡선 형태를 나타낸다. 열영향부의 최고 경도는 용접이음부의 연성이나 용접균열과 밀접한 관계가 있으므로, 용접성의 비교 혹은 용접조건의 적부 판정에 이용되고 있다.(2) 연성 : 고장력강 열영향부의 경화성이 현저하게 커지면 연성이 저하하여 굽힘 연성이 저하하게 된다. 이러한 굽힘 연성은 일반적으로 강도가 높을수록, 열영향부 최고경도가 증가할수록 저하한다. 열영향부 연성은 환봉에 용접열 사이클을 부여열※ 저온 균열의 발생 위치 및 형태(1) 저온 균열 : 용접부에서 발생하는 저온 균열은 주로 수소에 의한 지연 균열로서, 용접 후에 결정립내 및 입계에서 발생하여 진전한다. 이러한 저온 균열의 발생을 유발하는 인자로서는 구속 조건, 확산성 수소, 그리고 경화 조직 세 가지가 있다.초층 용접에 있어서 루트균열은 저온균열 중 가장 많이 발생하는 균열로서, 이러한 균열을 방지할 수 있으면 다른 균열도 쉽게 방지할 수 있다. 단 두꺼운 판의 다층 용접에서는 용접 층수가 증가함에 따라서 루트부나 토우부에 국부적으로 큰 구속응력이 작용하여 초층 루트 균열 발생조건보다 더욱 엄격한 조건으로 되는 경우도 있다. 이런 경우에는 초층 루트균열이 발생하지 않아도 용접 후에 루트 균열이나 토우 균열이 발생할 가능성이 있다.(2) 라멜라테어 : 라멜라테어는 철골 건물의 두꺼운 후판의 용접, 특히 T형 이음과 구석 이음에서 완전 용입만으로 다층의 용접을 할 경우, 압연 강판의 두께 방향 응력에 의해 구속이 심할 때 용접 금속의 수축을 수반하는 국부적인 변형이 주원인으로 압연 강판 사이에 균열이 생기는 현상을 말한다. 특히 용접에 의해 판두께 방향으로 강한 인장구속력이 생기는 이음에 있어서 용접열 영향부의 외측이나 강재표면과 평행하게 진행되는 계단 모양의 박리균열을 말하며 층간박리라고도 한다. 이 균열은 주로 용접이음의 판 두께 방향 구속과 압연 방향으로 존재하는 강판의 층 상호작용에 의해 발생하는 것으로 층 사이에 존재하는 불순물층이 다층 용접에 의한 반복열로 인해 판두께 방향으로 큰 구속을 받아서 분리되고, 이에 따라 순차적으로 불순물에 전달되어 계단모양으로 커지는 것이다.※ 라멜라 테어(Lamellar tearing)의 구조발생 원인은 용접 자체의 결함보다는 판 두께 방향의 연성 등과 같은 재질의 열화와 관련이 있고 용접 이음부의 설계 등 구조상의 문제와 수소 침입 등의 시공상의 문제도 관련이 있다. 따라서 용접 후 강재, 모재의 결함 유무를 확인하는 것이 바람직하다.(3) 고온WHT(Post Weld Heat Treatment) 취화 : 용접 이음부를 후열처리하면 용접 금속과 용융선 부근의 열영향부가 취화 된다. 이러한 취화 현상은 Mo2C, TiC, TiN 등의 탄화물 및 질화물의 석출에 의한 석출 경화와 300℃ ~ 550℃ 근방의 온도 영역으로 가열 및 서냉한 경우의 템퍼링 취화가 가장 큰 요인이다. 최근 고장력강 용접 이음주의 노치 인성은 대체로 양호하여 취성파괴에 대한 저항성도 크고, 잔류 응력이 존재하는 경우에도 취성 파괴에 충분히 대처할 수 있는 경우가 많다. 따라서 용접 구조물의 사용 목적 및 사용 조건에 따라 PWHT를 생략하는 경우도 많기 때문에 사전에 실시 여부를 충분히 재검토할 필요가 있다.6. 용접 시공법(1) 용접법의 선택※ 피복 금속 아크 용접법· SMAW(Shielded Metal Arc Welding : SMAW는 고장력강의 용접에 가장 일반적으로 사용된다. 이것은 각종 고장력강이나 용접 자세에 대하여 적용 범위가 넓고 저수소계 용접봉을 사용하면 용접이음부의 기계적 성질, 특히 노치 인성이 양호하기 때문이다. 또한 용접기가 저가이며 설비비가 적고, 용이하게 이동할 수 있다는 장점도 있다.· 자동 및 반자동 아크 용접 : 고장력강의 용접에 적용되는 자동 혹은 반자동 아크 용접법으로는 SAW와 가스 메탈 아크 용접(GMAW)이 가장 일반적이다. 물론 입향 자동 용접이나 횡향 자동 용접법이 적용되고, 또 피복 아크 용접봉을 길게 하여 중력식 등의 방치식 용접법도 활용되고 있다. 그러나 조립 열영향부의 취화가 현저한 강에는 입열량이 큰 EGW 용접법 등의 적용이 제한된다.· 그 외의 용접법 : 입향 자동 용접에 적용되는 ESW는 두꺼운 강판에 대해서는 획기적인 고능률 용접법이지만 용접부 노치 인성의 저하, 특히 저온인성이 저하하는 결점이 있다. 전자빔 용접법은 용입이 깊고 폭이 좁기 때문에 후판의 용접에 적합하다. 그러나 장치가 고가이고 또 진공 분위기가 필요하다는 제한성 때문에 대형 구조물에 적용하기 위해서.

공학/기술| 2011.12.06| 11페이지| 1,000원| 조회(838)

용접, 경화성, 고장력강, 용접균열

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Ansys 12.0 을 이용한 타워 크레인의 구조 해석 평가A+최고예요

CAE Term Project(ANSYS 12.0 을 이용한 타워 크레인의 해석)-목 차-1. 타워 크레인은 무엇인가?2. 요소의 종류와 물성치3. 타워 크레인 모델링(1) 잘못된 모델링(2) 튼튼하게 만들어진 모델링4. 모델 해석(1) 중력의 영향만 받을 때(2) 추가 있을 때(3) 작업 반경이 작을 때(4) 작업 반경이 클 때(5) 진동 해석(고유 주파수와 모드 형상)5. 결론 및 소감1. 타워 크레인은 무엇인가?주제 선정 이유평소에 공사장의 타워 크레인이 어떻게 세워지고 올라가는 것인지 궁금했었다. 레고 블록을 조립하는 기분이 들기도 하고 시간이 지날수록 타워 크레인의 높이가 건물의 높이와 같이 올라가서 신기했다. 또한 무거운 물체를 들고 있어도 타워 크레인이 변화 없이 튼튼하게 버티고 있기 때문에 해석의 가치가 있다고 생각해서 이번 프로젝트의 주제로 선정하게 되었다.타워 크레인의 정의항만 하역용이나 고층 건축용으로 발달하여 조선소의 선대와 안벽 등에 설치하고, 초고층 빌딩이나 아파트 건설현장에서 많이 사용된다.꼭대기 부분의 모양에 따라 지브 형(jib type)과 해머 헤드 형(hammer head type)으로 나눈다. 지브(팔 모양으로 돌출된 것) 형은 탑 꼭대기에 회전 프레임을 설치하고 지브를 붙여 회전운동이나 트롤리(trolley)의 직선운동으로써 화물을 끌어올리거나 내리는 작업을 한다. 해머 헤드 형은 탑 꼭대기에 선회 프레임을 설치하고 여기에 좌우 평형하도록 붐(boom)을 장치한 것으로서 하중의 이동이 수평으로 이루어진다.보통 용량을 달아 올림 하중으로 나타내고 소형은 3t 미만, 중형은 5t 미만, 대형은 5t 이상으로 나눈다. 작업 범위는 30m 이상이 대부분이며, 자립고(Free Standing)는 타워의 강도로 정해지는데 18∼30m 범위가 많다.[출처] 타워크레인 [tower crane ] | 네이버 백과사전 요약이번 프로젝트에서는 지브 형 타워 크레인(금강, KLC-1012S)을 모델링 대상으로 하고 해석할 것이다.2. 요소의 종의 종류를 결정해야 하는데 3차원으로 모델링을 해야만 좀 더 사실적인 느낌이 들 것 같아서 3차원 트러스 구조를 사용하기로 했다. 3차원의 봉(파이프)를 가정하고 요소의 종류를 조사하기 위해 Ansys의 도움말을 찾아보았다.1. PIPE 16(Elastic Straight Pipe)PIPE 16 은 인장 - 압축, 비틀림, 굽힙이 작용하는 단일 축 요소이다. 이 요소는 2개의 절점에 6개의 자유도가 존재한다. : 절점의 x, y, z 방향과 x축, y축, z축에 관한 회전 자유도가 있다. PIPE 16은 3-D 요소에 근거하고 있으며 대칭적 요소와 파이프의 형상에 관한 것을 단순화 시킨 것도 포함한다.2. PIPE 17(Elastic Pipe Tee)PIPE 17 은 T자 형상에 관한 3개의 단일 축 탄성 파이프 요소의 조합이며 인장 - 압축, 비틀림, 굽힘이 작용한다. 요소는 각 절점마다 6개의 자유도를 가지고 있으며 절점의 x, y, z 방향과 x축, y축, z축에 관한 회전 자유도가 있다.3. PIPE 18(Elastic Curved Pipe)PIPE 18은 엘보우 요소라고도 하며 원형의 단일 요소이고, 인장, 압축, 비틀림, 굽힘이 작용한다. 요소는 각 절점마다 6개의 자유도를 가지고 있으며 절점의 x, y, z 방향과 x축, y축, z축에 관한 회전 자유도가 있다.4. PIPE 20(Plastic Straight Thin-Walled Pipe)PIPE 20은 성형이 가능하거나 장시간의 하중 작용에 의한 변형인 크립, 고체 안에 기체가 발생함에 따라 고체가 부푸는 스웰링이 작용한다. 이런 효과들이 필요 없는 경우는 선형 파이프 요소로 작용한다. 요소 좌표계에서 요소에 작용하는 힘과 모멘트를 출력할 수 있다.5. PIPE 59(Immersed Pipe or Cable)PIPE 59는 인장 - 압축, 비틀림, 굽힘, 파도의 진동이나 흐름을 재연할 수 있는 힘부재에 관한 단일 축 요소이다. 요소는 각 절점마다 6개의 자유도를 가지고 있으며 절점의 x, y, 자유도가 있다.※ 요소의 계산을 간단히 하고 탄성적인 특성을 부여하기 위해서 PIPE 16을 요소의 종류로 선택하였다. 이에 필요한 강철의 물성치는 밀도와 포아송비, 탄성계수가 있으며 고체 역학 책을 참고하여 다음과 같이 가정했다.SteelDensity(밀도) : 7850kg/m3Poisson's Ratio(포아송비) : 0.30Modulus of Elasticity(탄성계수) : 210GPaOutside Diameter(외경) : 0.1m - 10cmThickness(두께) : 0.02m - 2cm※ 지브 형 타워 크레인(금강, KLC-1012S)모델링의 대상으로 삼은 타워 크레인으로 절점의 수가 많으면 계산의 양 또한 많아지기 때문에 높이를 30m로 정하고 지브 부분은 10m, 카운터 지브 부분은 4m로 조정했다. 타워 크레인이 대부분 강철 파이프 형태의 블록으로 이루어져 있어서 트러스 구조의 모델링을 하면 쉽게 형상을 만들 수 있다.3. 타워 크레인 모델링(1) 잘못된 모델링처음에는 위의 그림과 같은 모델링을 했었다. 자유도를 구속하고 중력을 작용시켜서 해석을 했는데 진동의 해석 중에 특이한 점을 발견하였다. 10번째 Set에서 다음과 같은 형상이 나온다.지브와 켓 헤드를 연결하는 타이 바(Tie Bar)가 완전히 휘어졌기 때문에 모델링한 타워 크레인이 부실하다고 느꼈다. 진동에 의한 것이라고는 해도 상식적으로 저렇게 까지는 변형이 일어날 수 없다고 생각했다. 모델링이 튼튼하게 만들어지지 않았다는 결론이 나서 튼튼한 형상으로 다시 모델링을 했다.(2) 튼튼하게 만들어진 모델링결국 타워 크레인의 메인 지브와 주탑 맨 윗부분에 X자 형태의 구조물을 몇 개 추가해서 첫 번째 모델보다는 튼튼한 타워 크레인 모델을 만들 수 있었다. 모델링의 과정은 다음과 같다.1) 키포인트를 좌표 값을 대입해서 직접 입력하는 방식을 택했다. 이유는 실수 없이 가장 정확하고 안전하게 지정할 수 있기 때문이다. 일일이 입력해서 시간은 오래 걸렸지만 실수 없이 구조물의 형태를 만들 수한다. 또한 Real Constant에서 파이프의 두께와 외경을 입력한다.4) Mesh 처리를 해준다. 이때 Pick All을 선택하고 Mesh 형상이 제대로 나왔는지 확인한다.5) 자유도를 구속해준다. 이 때 UX, UY, UZ 만 구속해야 한다. 구조물에 굽힘이 작용할 수 있기 때문에 회전에 대한 구속은 하지 않는다. 또한 Gravity 메뉴에서 y 방향에 관한 가속도 9.81을 설정하여 자중에 의한 영향을 구할 수 있도록 한다.※ 위의 과정을 마치면 모델링은 끝이 나게 된다. 보통 해석 과정에서 자유도를 구속하고 중력을 적용하지만 가장 기본적인 조건이기 때문에 5)에서 미리 보여주었다. 모델링이 완벽한지 다시 한번 확인하고 여러 과정의 해석을 위해 mesh1.db 로 저장한다.4. 모델 해석(1) 중력의 영향만 받을 때카운터 지브에(뒷부분) 추를 달지 않고 기본 조건으로 중력과 자유도 구속만을 부여했을 때는 다음과 같은 형상이 결과로 나타난다. 그림에서 최대 변위는 0.053m 인 것을 확인할 수 있다. 이를 다음 페이지에서 보게 될 형상과 비교하여야 한다. 다음 과정에서는 타워 크레인에서 추가 왜 중요한지 보여준다.(2) 추가 있을 때카운터 지브(뒷부분)에 4000kgf(-40000N)의 추를 달게 되면 위의 그림과 같은 형상이 나온다. 앞에서 해석한 추가 없을 때의 그림보다 뒷부분의 변형이 거의 없어졌고 최대 변위도 0.053m에서 0.0364m로 감소한 것을 알 수 있다. 시소에서 이용하는 지랫대의 원리와 같이 타워 크레인의 경우에도 주탑을 중심으로 양쪽의 균형을 잡기 위해 추가 필요하다는 것을 알 수 있다. 실제와 비슷한 환경을 구현하기 위해서 다음의 해석 과정부터는 카운터 지브(뒷부분)에 4000kgf의 추를 달고 해석을 수행할 것이다.(3) 작업 반경이 작을 때위의 그림에서는 트롤리가 주탑으로부터 5m 지점에 있을 때, 즉 작업 반경이 5m이고 2000kgf(-20000N) 물체를 들어올릴 때 타워 크레인의 변형을 해석한 것이다. 먼저 Plot다. 작업 반경이 10m인 경우가 5m인 경우보다 켓헤드 부분이나 메인 지브가 더 많이 오른쪽으로 기울어짐을 알 수 있다. List Result를 이용하여 구체적인 데이터 값을 확인해보자. 947번 절점에서 작업반경이 5m일 때는 최대 변위가 -0.0388이고 10m일 때는 -0.042인 것을 알 수 있다. 두 해석 과정으로부터 트롤리(물체를 들어올리는 갈고리)가 주탑으로부터 멀어질 수록 타워 크레인의 변형이 크게 일어나는 것을 알 수 있다. 아래의 그림은 각 부위마다 어느 정도의 변위가 생기는 지 궁금해서 Contour Plot의 y변위에 대한 해석을 출력해 보았다.※ 위의 그림은 Contour Plot - Nodal Solution - DOF Y 의 해석으로 빨간색에 가까울 수록 변위가 위로 올라갔다는 것이고 파란색에 가까울 수록 아래로 내려갔다는 것이다. 그림을 분석해보면 역시 물체를 들어올릴 때 오른쪽으로 타워 크레인이 기울어짐을 알 수 있고 특히 MN 이라고 표시된 타이 바(Tie Bar)와 카운터 지브(뒷부분)의 변위가 많이 변한 것을 알 수 있다. 물체를 들어올리게 되면 노란색으로 출력된 주탑 부분도 부호가 (-) 이므로 물체의 무게로 인하여 조금 내려 앉았음을 확인할 수 있다.※ 타코마 브릿지(5) 진동 해석(고유 주파수와 모드 형상)마지막으로 타워 크레인의 고유 주파수와 모드 형상을 구해보기로 한다. 고유 진동수는 어떤 물체가 가지고 있는 진동수를 말한다. 모든 물체는 외부에서 충격이 가해질 경우 진동을 하게 되는데 이 진동은 물체별로 항상 일정한 주파수를 갖게 된다. 고유 진동을 해석하는 이유는 ‘타코마 브릿지’ 가 붕괴되는 장면을 인터넷에서 보았기 때문이다. 건설 3년만인 1940년에 붕괴된 이 다리는 가벼운 폭풍에도 불구하고 ‘공명 현상’에 의해 구조물이 엿가락처럼 휘면서 무너져버렸다. 그러면 공명 현상은 무엇인가? 물체가 가진 고유 진동수와 정확히 일치하는 외부 진동을 주게 되면 물체의 진폭은 점점 커지게 되고, 커진 진폭을 물체가 감당

공학/기술| 2011.07.11| 19페이지| 1,500원| 조회(2,709)

ansys, CAE, 타워 크레인

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공기 저항을 고려한 포물선 운동 평가D별로예요

1. 문제 풀이초기 조건은 다음과 같다.(1)자유물체도와 질량-가속도 선도를 그린다.(2) 운동 방정식을 위와 같이 유도한다.(3) 속도에 관한 식들을 이용해서 x, y를 유도한다.프로그래밍을 할 때에는 다음과 같이 쓰여진다.x(k+1)=x(k)+vx(k)*dt;y(k+1)=y(k)+vy(k)*dt;(4) (2)를 이용하여 vx, vy 를 유도한다.프로그래밍을 할 때에는 다음과 같이 쓰여진다.vx(k+1)=vx(k)-(c(i)/m*sqrt(vx(k)^2+vy(k)^2)*vx(k))*dt;vy(k+1)=vy(k)-(g+c(i)/m*sqrt(vx(k)^2+vy(k)^2)*vy(k))*dt;2. 프로그래밍 (MATLAB을 이용한 프로그래밍)c=[0 0.002]; g=9.81; m=100; dt=0.1;문제에 주어진 조건을 다음과 같이 정의한다.x=zeros(1000); y=zeros(1000); vx=zeros(1000); vy=zeros(1000);x(1)=0; y(1)=0; vx(1)=100; vy(1)=100; k=1;x, y ,vx, vy 의 초기값을 지정해준다.A=char('R-', 'G-');for i=1:2for k=1:3000x(k+1)=x(k)+vx(k)*dt;y(k+1)=y(k)+vy(k)*dt;vx(k+1)=vx(k)-(c(i)/m*sqrt(vx(k)^2+vy(k)^2)*vx(k))*dt;vy(k+1)=vy(k)-(g+c(i)/m*sqrt(vx(k)^2+vy(k)^2)*vy(k))*dt;end위에서 유도한 식들을 그대로 입력하고 c(0, 0.002)가 모두 실행이 되도록 조건을 입력한다. 또한 k가 1에서 3000까지 실행이 되도록 한다.if i==1plot(x,y, A(i,:))title('발사체의 포물선 운동')xlabel('x축')ylabel('y축')axis([0 3000 0 1000])hold onelseplot(x,y, A(i,:))endlegend('c=0','c=0.002')end;xy 그래프의 라벨과 범위를 설정해주고 두 개의 그래프가 하나의 figure에 나오게끔 하여 프로그래밍을 종료한다.명령어 입력 화면그래프 출력 화면붉은선은 c=0 일 때, 발사체의 궤적이고 초록선은 c=0.002 일 때, 발사체의 궤적이다. c=0 일 때는 발사체가 2000m를 넘어가지만, c=0.002(공기 저항이 있는 경우) 일 때는 2000m를 넘지 못하고 땅에 떨어지는 것을 알 수 있다. Δt=0.1 이고 유한차분법을 이용하여 프로그래밍을 하였다.

공학/기술| 2010.12.19| 4페이지| 1,000원| 조회(2,270)

MatLab, 포물선 운동, 공기 저항

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