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Contents

4. 최적설계4.1 Topology4.2 Free_Shape

5. 결론

3. 구조 해석3.1 FE 모델링3.2 해석진행3.3 결과 도출

1.개요1.1. 소개1.2 문제점 및 설계 필요성1.3 링크 형상 및 모델링1.4 해석 절차

2.차량 동역학2.1. 차량 모델링2.2. 주행 조건2.3 주행 결과

Innovation Intelligence®

1.개요1.1. 소개1.2 문제점 및 설계 필요성1.3 링크 형상 및 모델링1.4 해석 절차


1. 개요

1.1 소개


1. 개요

1.2 기존 watt’s linkage의 문제점 및 최적 설계의 필요성


1. 개요

1.3 Z링크 초기형상 모델

Bar link diameter : 28mm

Þ


1. 개요

1.3 해석 절차

차량 동역학

1. 차량 모델링 ( wizard toolkit & z링크 모델링 )

2. 주행 조건 ( J턴 )

3. 기구 해석 및 동하중 산출

구조 해석

1. Z링크 FE 모델링 ( Center & 2 link )

2. CENTER부와 LINK부의 구조해석 진행

3. 동적 하중에 의한 정적 강성도 만족 확인 ( FOS )

최적 설계

1. CENTER부와 LINK부의 Topology 최적화 진행

2. 만족여부에 따른 Free shape 최적화 진행

3. 제한 조건 만족에 따른 최적화 된 z링크 설계


2.차량 동역학2.1. 차량 모델링2.2. 주행 조건2.3 주행 결과


2. 차량 동역학

2.1 차량 모델링

Panhard rod Watt’s linkage


2. 차량 동역학

2.1 차량 모델링

Panhard rod 모델

Bushing1. Panhard rod2. Vehicle

Bushing 1. Panhard rod2. solidaxle

6. Bushing - (Trans stiffness, Rot stiffness, Trans Damping, Rot Damping = default)

Matarial Steel

E 215000

NU 0.3

RHO 7.85e-009


2. 차량 동역학

2.1 차량 모델링WATT’S LINKAGE 모델

Matarial Steel

E 215000

NU 0.3

RHO 7.85e-009

Bushing 1. Link_L2. Vehicle

Bushing1. Link_L2. center

Bushing1. Center2. solidalxe

Bushing 1. Link_R2. Center

Bushing1. Link_R2. Vehicle

6. Bushing - (Trans stiffness, Rot stiffness, Trans Damping, Rot Damping = default)

Center


2. 차량 동역학

2.2 주행 조건 – J-Turn

Test condition

Þ


2. 차량 동역학

2.3 주행 결과


2. 차량 동역학

2.3 주행 결과

Panhard rod – j_turn Watt’s linkage – j_turn


2. 차량 동역학

2.3 주행 결과

Panhard rodWatt’s linkage



Þ


2. 차량 동역학

2.3 주행 결과

Center bushing max force( t=4.12 ) X = -3.1N (주행)Y = 1885N (원심)Z = 180N (상하)Þ 위아래 동일

FXFX

FY

FZFZ

FY

Þ


3. 구조 해석3.1 FE 모델링3.2 해석진행3.3 결과 도출


3. 구조해석

구조해석 개요

Þ 설계 목표를 중심으로 설계 제한을 만족하는 해석 만족 시 최적설계 수행

설계목표 동적인 반복거동을 고려한 정적 구조 상태의 해석( 일정한 원주를 돌 시 힘과 변위가 일정 )

설계조건 링크의 거동에 대한 적절한 구속 부여

산출한 동하중에 대한 하중 적용

물성과 형상에 따른 응력 확인

동적 거동을 고려한 F.O.S 제한 – 반복양진 ~ 변동하중

재료명 정하중반복하중

변동하중편진 양진

주철 4 6 10 12

강, 연철 3 5 8 15

목재 7 10 15 20

석재 20 30 - -

<Unwin의 안전율>

( Unwin의 안전율 – 북스힐,기계설계,저자 송지복 외 5명,43page )

링크 : 변동하중 기준 안전율 15

센터 : 변위 폭이 그리 크지 않아 안전율 12


3. 구조해석

Element HEX-3mm

Nodes 26034

Elements 21643

RBE2 5

BUSH UP/DOWN – RBE2, Force Þ

BUSH CENTER– RBE2, SPCÞ

center

Element HEX-3mm

Nodes 20073

Elements 17518

RBE2 2

link

BUSH – RBE2, Force, SPC Þ

3.1 FE 모델링

MASS – 2.17kg

MASS - 1.75kg

Þ

Þ

Þ

Þ


3. 구조해석

1. MAX DISP – 0.1461mm

2. MAX STRESS – 8.418Mpa

Þ 응력이 집중되어 링크로 확산

centerLink3.2 해석 진행

1. MAX DISP – 0.00231mm

2. MAX STRESS – 6.947Mpa

Þ 안쪽 모서리 부 응력집중 발생


3. 구조해석

3.2 결과 도출


4. 최적설계4.1 Topology4.2 Free_Shape


4. 최적 설계

4.1 Topology_link


4. 최적 설계

4.1 Topology_link

Iteration = 21

Iteration = 21

iteration0 iteration21

목적함수 (mass) 2.17kg 1.085kg

변위 (disp) 0.1461mm 0.2629mm

응력 (stress) 8.418MPa 16.73MPa

Þ


4. 최적 설계

4.1 link_remodel


Þ

4. 최적 설계

4.1 link_remodel

interation21 remodel


변위 (disp) 0.2629mm 0.1753mm


Þ


4. 최적 설계

4.2 Topology_Center

Center - Topogoloy

1. 목적함수- massfrac min

2. 설계변수- massfrac_frac

3. 제한 조건- Stress constrain = 40MPa

4. non_design- 조인트 부 구멍


4. 최적 설계

4.2 Topology_Center

Iteration = 30

Iteration = 30

설계 제한 및 목적

1. Massfrac min 수행2. Stress constrain = 40MPa 만족 (구조 해석시 기준 41.6MPa)

Þ Remodeling 진행

iteration0 iteration30


변위 (disp) 0.001427mm 0.02468mm



4. 최적 설계

4.2 Topology_Center_remodel모서리부응력집중 발생

Remodel FE 모델링= 동일Mass = 0.4424kg

Volume = 56353.742𝒎𝟑

iteration30 remodel

변위 (disp) 0.002468mm 0.0106mm


analysis

Þ


4. 최적 설계

4.3 free-shape optimizaiton

모서리부의 응력집중을 낮추기 위한 2D SHELL 모델링 진행

3D MODEL – 0.4424kg 2D MODEL - 0.483kg

Þ


4. 최적 설계


Free_shape 3D_solid 2D_Shell Error(%)

Mass 0.442kg 0.483kg 8.488

Volme 56353.742 61531.495 8.415

Disp 0.0106mm 0.01023mm 3.618

stress 30.81Mpa 37.82Mpa 18.53

3D SOLID VS 2D SHELL

Þ

2D_SHELL_DISP

2D_SHELL_STRESS


4. 최적 설계


Free_shape iteration0 iteration10

Disp 0.01023mm 0.009167mm

stress 37.82Mpa 28.53Mpa

free-shapeIteration = 10

Iteration = 10Iteration = 0


3D_solid Remodeling

Mass 0.442kg 0.4282kg

Volume 56353.742 54546.8

Disp 0.0106mm 0.009007mm

stress 30.81Mpa 29.86Mpa

FE모델링 – 동일

analysis

4. 최적 설계


Þ


5. 결론


BAR_LINK 설계 조건 First Optimization Final

Mass 2.17kg 1.085kg 1.28kg

Diameter - 28mm - D(inner)=18mmD(outter)=28mm

Displacement - 0.1461mm 0.2629mm 0.1753mm

Stress - 8.418MPa 16.73MPa 12.03MPa

Stress constrain 33MPa 만족 만족 만족

결론

BAR LINK

Frist_model optimization final_model

Þ 41%의 질량 감소가 최종적으로 이루어짐Þ Stress constrain 33MPa 이하로 동적 하중이 고려된 응력 허용 발생

mass를 최소화하며 Stress constrain 를 만족하는 최적설계 만족


BAR_LINK 설계 조건 First Topology Free-Shape Final

Mass min 1.75kg 0.4424kg 0.483kg 0.4282kg

Displacement - 0.00231mm 0.0106mm 0.009167mm 0.009mm

Stress - 6.947MPa 30.81MPa 28.53MPa 28.86MPa

Stress constrain 41.6MPa 만족 만족 만족 만족

결론

CENTERFrist_model Topology Final_model

Þ 75% mass 감소가 최종적으로 이루어짐Þ Stress constrain 41.6MPa 이하로 동적 하중이 고려된 응력 허용 발생Þ 응력집중 제거를 위해 Free-Shape 진행

mass를 최소화하며 Stress constrain 를 만족하는 최적설계 만족

Free-shape


Þ 최적화 된 watt’s linkage를 기준으로 모델링 진행

결론

Flexbody modeling & 주행조건

Panhard rod

Watt’s linkage

Þ 초기 모델 2.6kg의 rod기준 모델링 진행

Þ Panhard rod 모델링에 따른 flexbody inertia 적용

Þ Watt’s linkage 모델링에 따른 flexbody inertia 적용

주행조건Þ 동일한 J-turn test

주행조건Þ 동일한 J-turn test


결론

Flexbody j-turn_result

초기 j-turn test와 동일하게 5초 이후( test zone ) watt’s linkage에 비해 panhard rod가 큰 side slip angle이 발생Þ j-turn test시 watt’s linkage와 Panhard rod 두 모델링의 flexbody 비교분석 가능





결론

Watt’s linkage j-turn_result

동영상


결론

Watt’s linkage j-turn_result

Panhard rod

Max stress = 11.86MPa

Watt’s linkage

Max stress = 28.98MPa

1. Panhard rod에 비해 watt’s linkage에서 큰 응력이 발생2. Panhard rod 보다 watt’s linkage가 상하 진폭을 강하게 잡아주므로 응력 분포가 큰 것으로 판단Þ 링크의 특성과 응력분포로 보았을 때, 타당성에 대한 확인이 가능


결론

Watt’s linkage j-turn_resultStress Force

flex bodyrigid body

Static stressDynamic stress

Þ

Þ

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