[논문자료]최적화 기법을 이용한 교반기 프레임 치수 최적설계

출처: 픽사베이

최적화 기법을 이용한 교반기 프레임 치수 최적설계

 

최근의 산업현장은 지금까지의 정확한 구조해석만으로 그치지 않고 이를 바탕으로 강도 개선, 재료 절감을 통한 원가절감, 중량 최소화 문제들의 차원에서 동적인 특성의 변경을 요구하고 있다. 그래서 일반 구조물이나 기계 구조물의 진동특성이나 동적 거동을 컴퓨터의 발달에 힘입어 실험 또는 해석적 방법으로 쉽고 정확하게 해석하고 예상하는 것이 가능하게 되었다. 하지만 이러한 문제는 그 중요성에도 불구하고 여전히 설계자의 경험이나 시행착오에 의존하고 있는 실정이다. 이와 마찬가지로 현재 제작되고 있는 교반기 프레임도 주문형 소량 생산이기 때문에 설계자의 경험에 의존하여 과잉, 과소 설계되고 있다. 그래서 설계변수의 민감도 해석을 통해 구조물의 응답변화를 관찰하여 적절한 형상의 구조물을 설계하여야할 필요성이 나타나게 되었다. 민감도의 개념이 없다면 오로지 설계자 경험으로 설계변수를 결정하기 힘들기 때문에 설계 민감도의 연구는 동적거동에 대응하여 적절한 설계변수를 결정할 수 있게된다.

교반기의 용도는 매우 광범위하여 화학공업 (각종 원료의 균일혼합), 식품공업 (식품원료의 고밀도 혼합)과 약품공업 (약품원료의 고밀도 혼합), 그밖에 제지공업, 고무공업, 유지공업 등의 각종 공업장에서 모터의 회전력에 의한 임펠러의 회전을 이용해 유체를 균일하게 혼합하는데 사용된다. 그래서 고속회전에서 발생하는 하중에 부합되는 안전성 및 내구성을 확보해야 한다. 따라서 교반기 프레임 형상에 따라 내구성 및 안정성이 결정되므로 교반기 프레임의 각각의 설계변수에 대한 민감도 해석을 수행하여 적절한 형상의 교반기를 설계할 수 있는 연구를 수행한 바 있다. 그렇지만 이미 설계된 모델을 가지고 단순한 민감도 해석으로는 적절한 새로운 모델을 결정하는데 어려움이 있다. 따라서 본 연구의 목적은 이러한 민감도 해석을 통해 얻은 결과를 이용하여 최적화 알고리즘을 통해 교반기 구동에 요구되는 구동조건에 가장 적합한 형상의 설계변수를 결정하는데 있다.

교반기 프레임은 기계의 유지 보수를 위해 프레임 전후에 구멍이 들려있으므로 비틀림을 받는 상태에서 교반기 윈도우 부위에 응력집중 현상이 발생하게 된다. 이러한 교반기의 내구성과 안정성 확보를 위해 교반기 설계변수의 최적화가 필요하게 된다. 이러한 적절한 설계변수를 구하기 위해서 먼저 모터의 회전력과 유체의 저항력에 의한 하중의 관계에서부터 프레임부에 전달되는 하중을 예측하고, 프레임을 수학적으로 모델링하여 얻어진 강성, 최대응력, 고유진동수에 대해 보정된 근사식을 가지고 목적함수(Objective Function)을 설정하고, 또한 설계변수와 제약조건을 설정하여 최적화 알고리즘(Quasi-Newton Method)를 이용하여 최적화를 수행하였다. [1][10] 여기서 얻어진 최적화된 설계변수를 적용하여 유한요소 해석 상용프로그램 ABAQUS[11] 통하여 새롭게 설계된 교반기 프레임의 안정성 밑 내구성을 점증하였고, 교반기가 처음 모터의 동력에 의해서 구동되고, 일정한 속도로 회전하는 동안 축에 전달되는 힘에 의해 진동하게 된다. 이러한 진동은 축을 지지하는 프레임부에 전달되게 되는데 이것으로 인해 프레임이 일정한 진폭과 진동수를 가지고 비틀림이 발생한다. 이러한 비틀림은 프레임 수명에 큰 영향을 주기 때문에 비틀림에 의한 피로해석도 중요한 문제이다. 따라서 축에 가해지는 진동이 프레임에 모두 전달된다고 가정하고 초기에 정적 토크가 가해지는 상태에서 평균웅력이 0이 아닌 정적토크를 평균응력으로 반복하여 응력을 받는 교반기 진동모델을 설정하여 피로에 대한 안정성을 평가하였다.

이를 토대로 교반기의 프레임 구조를 보다 효율적이고 안전하게 설계하고, 교반기 구동에 요구되는 사항에 대해 최적의 형상을 얻음으로써 과대설계, 과소 설계로 인한 문제점을 해결하고, GUI(Graphical User Interface) 설계 프로그램을 제작함으로써 보다 빠르고 유연하게 신뢰할 수 있는 기존 모델을 적용하거나, 새로운 모델을 설계할 수 있게 되었다.

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Currently in the industrial scene, research does not stop at a more accurate structural analysis, but uses this as a basis to improve strength and reduce materials to improve problems involved in the minimization of cost and weight, thus demanding a change in the dynamic properties. The improvement of computers have made it possible to accurately analyze and estimate the vibration characteristics or dynamic behavior of general or mechanical structural materials through experimental and analytical methods. However, this improvement is still being disregarded and problems remain unchanged, still relying on the experience and trial and errors of designers.

Currently, too much or too little planning of a mixer frame, currently under development, is subject to the experience of the designer. Through sensitivity analysis of the design variables, a change in the structural response can be observed and a design for a more appropriate shape for the structural materials will be needed. If the concept of sensitivity was nonexistent, selecting design variables from experience would be difficult, thus in order to determine adequate design variables, dynamic behavior has to be confronted to study structural sensitivity.

The shape of the mixer frame determines its durability and strength, and in this study by performing sensitivity analysis on each design variable of the frame, an adequate shape for the mixer was designed. However, there are difficulties in remodeling an existing model simply through sensitivity analysis. The objective of this study is to apply the results obtained from sensitivity analysis to select the most compatible shape, a driving condition demanded by the mixer drive, and design variables through an optimization algorithm.

For maintenance and repairs, there are holes in the front and rear of the mixer frame. During states of distortion, stress concentrations occur around the window of the mixer. To secure the durability and stability of this kind of mixer, it is necessary to optimize the design variables. To find adequate design variables, the relationship of the load dependant on motor revolution and fluid resistance and the load distributed by the frame have to estimated, and from the revised approximation of stiffness, maximum stress, and natural frequency obtained from the mathematical modeling of the frame, objective functions are established, and after establishing design variables and constraints, optimization was performed through an optimization algorithm (Quasi-Newton Method). [1][10] The optimized design variables were applied and through finite element analysis using a commercial program, ABAQUS, the durability and stability of the newly designed mixer frame were verified.

A more efficient and stable structure for the mixer frame was designed, problems on too much or too little planning regarding the conditions demanded by the miser drive were solved, and through manufacturing a GUI (Graphic User Interface) program, existing models could be adjusted faster with greater flexibility and reliance, or new models could be designed.

 

출처: http://www.riss.kr/search/detail/DetailView.do?p_mat_type=be54d9b8bc7cdb09&control_no=02361fc250940dae

 

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