한국산학기술학회논문지 Vol. 12, No. 2 pp. 617-622, 2011 다관절고소작업차량의구조해석 방승옥 1, 조재웅 2* 1 공주대학교기계공학과, 2 공주대학교기계자동차공학부 Structural Analysis of Multi-Linked High Place Working Vehicle Seung-Ok Bang 1 and Jae-Ung Cho 2* 1 Division of Mechanical Engineering, Graduate School, Kongju University 2 Division of Mechanical & Automotive Engineering, Kongju University 요약본논문에서는고소작업차량의플랫폼에수직하중조건을주어구조해석을수행한다. 해석모델은실제크기의 1:10으로축소한다. 붐의각도에따른응력분포및변형량분석을통하여취약부분을파악한다. 해석결과를보면대부분붐의연결부분에서응력이집중되는것을볼수있다. 이러한해석결과를통하여다른부분에비하여상대적으로취약한연결부분을보완함으로서안전성을증진시킨다. Abstract In this paper, the structural analysis is carried out with the vertical loading condition on the platform of the high place working vehicle. The model of analysis is reduced on the scale of 1:10. Deformation and stress distribution of boom are analyzed with the variation of angle at boom position and the vulnerable parts are checked. Analysis result shows that most stress is concentrated at the connection of the boom. Through this analysis result, the safety on this vehicle can be improved by making up for the relatively weak connection parts as compared with other parts. Key Words : Structural Analysis, Finite Element, Stress Distribution, Safety Factor, High Place Working Vehicle 1. 서론 조선및건설작업현장에서는작업자의작업능률을높이기위하여조립블록, 크레인, 리프트와같은장비들을이용하고있다. 이러한장비들은협소한공간에서도고소작업을수행할수있기때문에작업현장에서많이사용되고있다. 그중에서도다관절고소작업차량은여러개의붐 (Boom) 이연결되어굴절이가능하다. 각붐의연결부분에설치된유압장치는붐을상하로조정하며붐끝에연결된플랫폼 (Platform) 에서작업자가작업을수행한다 [1]. 이러한굴절기능을통하여복잡하고위험한현장에서원활하게작업대상에접근할수있고작업자의편의를도모한다. 이와같은고소작업차량의경우에는일반적으로 2m 이상높이에서작업이이루어지기때문에작업자의안전을위해서는구조물에대한안전성을분석 하는것이중요하다. 반복적작업으로인하여그림 1과같이응력이집중되는부분에서는크랙이발생할수있다. 이와관련하여고소작업차량에대한국내연구및 [ 그림 1] 응력집중으로인한크랙발생 이논문은 2009년정부 ( 교육과학기술부 ) 의재원으로한국연구재단의지원을받아수행된연구임 (2009-0075368). * 교신저자 : 조재웅 (jucho@kongju.ac.kr) 접수일 10년 08월 30일수정일 10년 09월 14일게재확정일 11년 02월 10일 617
한국산학기술학회논문지제 12 권제 2 호, 2011 기술개발이이루어지고있지만구조해석에대한연구는미흡한실정이다 [2-4]. 본연구에서는다관절고소작업차량의유한요소모델을가지고구조해석을수행하였다. 장비의상단끝에장착된플랫폼에지면과수직인하중을주고붐의각도에따라서발생하는응력분포및변형을분석하였다. 또한실린더의위치변화에따라응력이분산되는지를해석하고반복하중에의한안전계수를확인하였다 [5]. 2. 해석모델및충돌해석 2.1 해석모델 본해석에사용된모델은 CATIA V5 R18으로모델링하였으며, 해석시간의손실을줄이기위하여실제작업현장에서사용되고있는고소작업차량의 1:10 크기로축소하였다. 또한원활한진행을위하여구조를단순화하고각부품들은어셈블리하였다 [6,7]. 해석모델의각부분별치수는그림 2와표 1에나타나있으며, 모델의재질은 ANSYS에서제공하는 ASME BPV Fatigue Data의 Structural Steel로서그특성은표 2와같다. [ 표 2] 구조용강의물성치 Young s Modulus (MPa) 2 10 5 Poisson s Ratio 0.3 Mass Density (kg/mm 3 ) 7.85 10-6 Tensile Yield Strength (MPa) 250 Compressive Yield Strength (MPa) 250 Tensile Ultimate Strength (MPa) 460 해석모델은 ANSYS 12.0을사용하여그림 3과같이유한요소로분할하였으며, 사용된요소의종류는사면체요소 (Tetrahedral Element) 이다. 모델의절점및요소들의개수는각각 75435개와 38930개이다. 본해석에서는작업자및자재가플랫폼에탑재되어있다고가정하고지면에수직인하중을준다. 실제고소작업차량의최대적재중량은 230 kg으로축소비율을고려하여그림 4에서와같이플랫폼발판에는지면방향으로 225.4 N의하중을주고타이어는지면에고정되어있다고설정한다. [ 그림 3] 해석모델의요소및절점 [ 그림 2] 고소작업차량의형상 [ 표 1] 해석모델의치수 기호 명칭 치수 (mm) (A) 차체높이 200 (B) 차체길이 480 (C) 차체너비 120 (D) 휠베이스 160 (E) 지상여유 9 (F) 플랫폼너비 117 (G) 플랫폼길이 76 [ 그림 4] 해석모델의하중및구속조건 618
다관절고소작업차량의구조해석 고소작업차량의동작범위는그림 5와같이플랫폼과차체사이에연결된메인붐의각도에따라서크게세영역으로나누어진다. 최대하중이가해지는경우에각영역에서의응력분포및변형을파악하였다. [ 그림 7] 해석모델의전체변형 (High Area) [ 그림 5] 고소작업차량의동작범위조립된모델을 ANSYS로불러오는과정에서각부품들사이의접촉이자동으로용접상태가된다. 그러나핀으로연결된부분에는슬라이딩이발생할수있으므로해석을수행하기위하여각부품의세부접촉형태를 No Separation 으로정의하였다. 2.2 구조해석 2.2.1 높은영역 (High Area) 플랫폼의높이가가장높은영역에서최대하중에의하여차체에발생하는응력분포는그림 6과같다. 실린더와메인붐및차체가연결되는부분에응력이집중되며, 이때의최대응력은 177 MPa 정도이다. 전체변형은그림 7에서와같이플랫폼의앞쪽에 4.62 mm 정도의변형이생기는것을볼수있다. 2.2.2 수평영역 (Horizontal Area) 플랫폼과메인붐이지면과수평인영역에서차체에발생하는응력분포를보면그림 8과같이연결부분에서응력이집중되며 212 MPa 정도의최대응력이발생한다. 수평영역에서의전체변형은그림 9에서와같이플랫폼의앞에 4.77 mm 정도의최대변형이발생한다. [ 그림 6] 해석모델의응력분포 (High Area) [ 그림 8] 해석모델의응력분포 (Horizontal Area) 619
한국산학기술학회논문지제 12 권제 2 호, 2011 [ 그림 9] 해석모델의전체변형 (Horizontal Area) 2.2.3 낮은영역 (Low Area) 하중이작용하는플랫폼의높이가가장낮은곳에위치하는경우에는그림 10과같이연결부분에서 399 MPa 정도의최대응력이발생한다. 이는다른영역에비하여메인붐과실린더사이의각이좁아져외팔보 (Cantilever) 에가까운형태가됨에따른것으로사료된다. 또한원활한움직임을위하여구조를단순화한차체상단붐에도 177 MPa 이상의큰응력이발생한다. 전체변형의최대값은 5.79 mm 정도로그림 11과같이플랫폼앞쪽에서발생하는것을볼수있다. 해석결과를보면메인붐과차체상단붐및실린더가연결되는부분에서응력이집중되는것을볼수있다. 이러한응력집중으로인하여실린더와붐의연결부위에파손이발생할것으로예상된다. 따라서이부분에집중되는응력을분산시키도록구조를수정하여안전계수를높이는보완이필요하다고판단된다. [ 그림 11] 해석모델의전체변형 (Low Area) 2.3 보완전 후의구조해석비교해석모델의취약부분인차체상단붐을그림 12와같이보완하였다. 또한실린더와의연결위치를중앙및앞부분으로수정하고보완전과동일한조건으로수평영역에서해석을수행하였다. [ 그림 12] 구조보완및실린더연결위치변화보완후차체상단붐과실린더의연결위치에따른응력분포를보면그림 13과같다. 중앙에연결되는 (a) 의경우에 105 MPa, 앞부분에연결되는 (b) 의경우에는 96 MPa 정도의최대응력이발생한다. 또한차체상단빔에집중되던응력이빔의전체로분산되는것을볼수있다. [ 그림 10] 해석모델의응력분포 (Low Area) 620
다관절고소작업차량의구조해석 (a) Constant Amplitude Load [ 그림 13] 실린더위치에따른응력분포 전체변형은그림 14와같이중앙에연결되는 (c) 의경우에 2.30 mm, 앞부분에연결되는 (d) 의경우에는 2.07 mm 정도의최대변형이발생한다. (b) Mean Stress Correction Theory [ 그림 15] 반복하중 (a) 및적용이론 (b) [ 그림 14] 실린더위치에따른전체변형 실린더의위치가변화함으로써안전성이증가하는지를보기위하여그림 15와같이 Sine 형태의 Zero-Based 하중을주었으며, Goodman 이론을적용하였다. [ 그림 16] 실린더위치에따른모델의안전계수 (Middle/Front) 621
한국산학기술학회논문지제 12 권제 2 호, 2011 모델의안전계수의분포는그림 16과같이응력분포와유사하며실린더와차체상단붐이중앙에서연결되는경우에는최소값이 1.38이며, 앞부분에연결되는경우에는 1.51 정도의최소안전계수값을보여준다. 43-48, 1월, 2010. [7] 이종선, 백두성, 레그익스텐션기구의설계및구조해석, 한국산학기술학회논문지, 제5권, 제4호, pp. 326-330, 8월, 2004. 3. 결론 본논문에서는고소작업차량의플랫폼에작용하는하중에의하여차체에발생하는응력분포및변형을해석하였다. 또한취약부분의보완전 후를비교하여다음과같은결론을도출하였다. 1. 플랫폼에최대하중이작용하는경우, 메인붐과실린더및차체상단붐의연결부분이응력집중으로인하여파손될가능성이높다. 2. 실린더와차체상단붐의연결위치가앞부분인경우에는응력및변형값이 96 MPa과 2.07 mm로 50% 이상감소하였다. 3. 구조적보완후피로하중에의한차체의안전계수최소값이 1.38 및 1.51로보완전보다 2배이상증가하였다. 참고문헌 [1] 김민호, 김태영, 고소작업차자동수평장치를위한회전식유압실린더개발, 한국정밀공학회춘계학술대회논문집 ( 하 ), pp. 1129-1130, 5월, 2010. [2] 김면희, 이상룡, 다관절고소작업장치의개발 (Design of Multi-Linked Lifter), 대한기계학회춘추학술대회논문집, 제1권, 제1호, pp. 562-565, 4 월, 2000. [3] 김문기, 심영보, 박철규, 장명수, 이교일, 객체지향기법을이용한다관절크레인의유압시스템시뮬레이션, 한국정밀공학회추계학술대회논문집 (Ⅱ), pp. 751-755, 11월, 1997. [4] 김홍건, 나석찬, 홍동표, 조남익, 고가사다리차의알루미늄붐형상의최적설계에관한연구, 한국공작기계학회논문집, 제16권, 제3호, pp. 96-102, 6월, 2007. [5] 조재웅, 이은종, 불균일하중을받는피로파괴에관한연구, 한국산학기술학회춘계학술대회논문집, pp. 100-102, 6월, 2004. [6] 이종선, 초미립자살포기의설계및주조개선, 한국산학기술학회논문지, 제11권, 제1호, pp. 방승옥 (Seung-Ok Bang) [ 준회원 ] 2010 년 2 월 : 공주대학교자동차공학과 ( 공학사 ) 2006 년 3 월 ~ 현재 : 공주대학교기계공학과 ( 공학석사 ) < 관심분야 > 기계및자동차부품설계및내구성평가, 피로또는충돌시동적해석 조재웅 (Jae-Ung Cho) [ 정회원 ] 1980 년 2 월 : 인하대학교기계공학과 ( 공학사 ) 1982 년 2 월 : 인하대학교기계공학과 ( 공학석사 ) 1986 년 8 월 : 인하대학교기계공학과 ( 공학박사 ) 1988 년 3 월 ~ 현재 : 공주대학교기계 자동차공학부교수 < 관심분야 > 기계및자동차부품설계및내구성평가, 피로또는충돌시동적해석 622