300톤급 기계식 프레스 프레임의위상-다목적 구조 최적화 = Topology and Multi-Objective Structural Optimization of Frame Structure for a Mechanical Press with Capacity of 300 ton

국문 초록 (Abstract)

프레스는 금속 성형 공정에서 주로 사용되는데, 특히 크랭크 기구를 이용하여 전동기의 토크를 압축력으로 변환시키는 기계식 프레스는 유압식 프레스에 비해서 가공 속도가 빠르고, 에너지 효율도 높다는 장점이 있다. 기계식 프레스의 프레임은 프레스의 가공 정밀도를 좌우하기 때문에 프레임의 고강성화와 경량화는 기계식 프레스의 성능 향상을 위해서 매우 중요한 문제이다. 본 연구에서는 300톤급 기계식 프레스를 대상으로 프레임의 고강성화와 경량화를 구현하기 위한 프레임의 위상-다목적 구조 최적화를 수행하였다. 기존의 프레임 구조에 대한 고정 관념을 일정 부분 탈피하기 위해서 단순한 형태의 1차 프레임 모델로부터 프레스 작업 시에 응력이 작게 작용하는 부분들을 삭제하는 개념의 위상 최적화를 먼저 적용하였고, 그 결과로부터 제작 가능한 형태의 프레임 구조를 갖는 2차 프레임 모델을 재구성하였다. 2차 프레임 모델의 리브와 격벽 두께들을 설계 변수들로 하고, 프레임의 루프 강성과 질량을 목적 함수들로 하는 다목적 구조 최적화를 체계적으로 수행하기 위하여 먼저 실험계획법의 하나인 반응표면법을 토대로 얻은 43개의 실험 조건들에 대해서 구조 특성을 해석하였다. 그리고 구조 특성 해석 결과들을 이용하여 프레임의 루프 강성과 질량에 대한 회귀 모형들을 도출하였고, 회귀 모형들의 신뢰도는 루프 강성과 질량에 대한 구조 해석 결과인 측정값들과 회귀 모형들을 통해서 얻은 예측값들을 비교함으로써 검증하였다. 그리고 최종적으로 프레임의 루프 강성과 질량의 회귀 모형들에 대해서 가중치법을 적용하여 파레토(Pareto) 최적해를 구하였는데, 가중값이 0.5인 경우 300톤급 상용 프레스의 프레임에 비해서 루프 강성은 30.9% 향상되고, 질량은 11.6% 감소하는 것으로 예측되었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In order to secure the precision forming capability of press and reduce the production and transport costs of press, the development of a high stiffness and lightweight frame is important. In this study, the topology and multi-objective structural optimization problem of frame structure was introduced as part of efforts to develop the high stiffness and lightweight frame for a mechanical press with capacity of 300 ton. First, a design space model was constructed to derive a new frame structure different from the existing one as a result of topology optimization. And, using the design of experiments and the structural analysis model of frame structure-Improved based on the topology optimization result, the multi-objective optimization problem was established with the loop stiffness and mass of frame as objectives and the steel plate thicknesses as design variables. Especially the review on Pareto optimum solutions of the multi-objective optimization problem revealed the fact that the optimization method in this study could contribute significantly to the high-stiffness and lightweight of mechanical press as well as frame.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 제 2 장 기계식 프레스의 개요 및 기존 프레임의 구조특성 3
• 2.1 기계식 프레스의 개요 3
• 2.2 기존 프레임의 구조특성 5
• 제 3 장 위상최적화를 이용한 프레임의 구조개선 9
• 3.1 프레임의 위상최적화 9
• 3.2 프레임의 구조개선 10
• 제 4 장 실험계획법을 이용한 구조개선 프레임의 다목적 최적설계 13
• 4.1 구조개선 프레임의 설계변수 및 설계조건 13
• 4.2 구조개선 프레임의 루프강성과 질량의 회귀모형 18
• 4.3 설계변수에 대한 민감도 분석 20
• 4.4 다목적 최적화 문제의 파레토 최적해 21
• 4.5 구조개선 프레임의 최적화 결과 및 타당성 검토 23
• 제 5 장 결 론 25
• 참 고 문 헌 26
• SUMMARY 28