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비선형 스프링 요소를 이용한 풍력터빈용 테이퍼 롤러 베어링의 유한요소 모델링 기법 개발
김재승(Jaeseung Kim),김수철(Suchul Kim),이근호(Geunho Lee),김민근(Mingeun Kim) 대한기계학회 2021 大韓機械學會論文集A Vol.45 No.7
본 연구에서는 풍력터빈용 테이퍼 롤러 베어링의 유한요소모델링 기법을 개발하였다. 정확한 베어링 강성을 유한요소모델에 반영하기 위하여 3차원 솔리드(solid) 모델을 사용하는 대신 ANSYS에서 제공하는 1차원 비선형 스프링 요소(COMBIN39)를 이용하여 베어링의 접촉강성을 모사하였다. 비선형 스프링요소의 힘-변형 관계는 유한요소 모델이 원하는 베어링의 강성 선도를 따를 수 있도록 최적화기법을 이용하여 결정하였다. 수치적 예제를 통해 제시된 베어링 모델링 기법이 기존의 선형 스프링요소를 사용하는 것 보다 원하는 베어링의 강성 선도를 더 정확하게 모사할 수 있음을 확인하였다. In this study, a finite element modeling method for a taper roller bearing for wind turbines was developed. To reflect the exact bearing stiffness in the finite element model, the contact stiffness of the bearing was simulated using a one-dimensional nonlinear spring element (COMBIN39) provided by ANSYS instead of using a three-dimensional solid element. The force-strain relationship of the nonlinear spring element was determined using an optimization technique so that the finite element model could follow the desired stiffness diagram of the bearing. Several numerical examples revealed that the proposed bearing modeling technique could more accurately follow the stiffness diagram of the desired bearing than when using the existing linear spring element.
1D/3D 시뮬레이션을 활용한 농용 트랙터 싱크로나이저의 열-온도 해석
김재승 ( Jaeseung Kim ),문상곤 ( Sanggon Moon ),최재훈 ( Jaehoon Choi ),이동건 ( Donggun Lee ),김수철 ( Suchul Kim ) 한국농업기계학회 2023 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.28 No.2
싱크로나이저는 농용 트랙터 변속기에 사용되는 핵심 부품으로써, 주행 속도를 유지하며 짧은 시간 내에 부드러운 기어 변속을 가능하게 한다. 싱크로나이저가 속도를 동기화 하기 위해서는 마찰 콘이 접촉하여 회전 마찰을 일으켜야 하며, 이 때 접촉면에서 마찰열이 발생한다. 마찰 콘 사이의 열화를 방지하고 적절한 용량의 윤활시스템을 설계하기 위해서는 싱크로나이저의 속도 동기화 시 마찰열에 의한 온도 상승을 고려하여야 한다. 본 연구에서는 1D 시스템 시뮬레이션을 활용하여 농용 트랙터의 변속 시스템을 모델링하고 변속 과정 중 발생하는 열량을 계산하였다. 계산된 시간-열량 결과값은 3D 변속기 열해석 모델의 경계조건으로 입력되었으며 이를 이용하여 싱크로나이저의 시간에 따른 온도 변화를 계산하였다. 3D 열해석 모델의 온도 계산 결과는 집중계 모델(lumped system model) 결과와 비교하여 타당성을 검증하였다.
김재승(Jaeseung Kim),김수철(Suchul Kim),손종현(Jonghyeon Sohn),문상곤(Sanggon Moon),이근호(Geunho Lee) 한국항공우주학회 2020 韓國航空宇宙學會誌 Vol.48 No.12
본 논문은 회전익기용 엔진 감속기 주 기어열의 기어 웹 형상 최적화에 대해 기술하였다. 최적화 목표는 총중량, 전달 오차, 정렬 오차, 치면 하중 분포 계수 값의 최소화로 설정하였으며, 기어의 웹 두께, 웹과 축의 연결 위치, 웹과 림의 연결 위치를 설계변수로 선정하였다. 최적화 과정에서 기어의 웹, 축, 림은 3D 캐드 모델로부터 유한요소 모델로 변환되었으며, 기어 해석 프로그램 MASTA에 입력되었다. 최적화 알고리즘은 NSGA-Ⅱ를 사용하였다. 최적화 결과 주 기어열의 총 중량, 전달 오차, 정렬 오차, 치면 하중 분포 계수 값은 모두 감소하였으며, 최대 응력도 안전한 수준으로 나타나서 전반적으로 기어 성능이 개선되었음을 확인하였다. This paper presents an optimization of gear web design used in a main gear train of an engine reduction gearbox for a rotorcraft. The optimization involves the minimization of a total weight, transmission error, misalignment, and face load distribution factor. In particular, three design variables such as a gear web thickness, location of rim-web connection, and location of shaft-web connection were set as design parameters. In the optimization process, web, rim and shaft of gears were converted from the 3D CAD geometry model to the finite element model, and then provided as input to the gear simulation program, MASTA. Lastly, NSGA-Ⅱ optimization method was used to find the best combination of design parameters. As a result of the optimization, the total weight, transmission error, misalignment, face load distribution factor were all reduced, and the maximum stress was also shown to be a safe level, confirming that the overall gear performance was improved.