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위상최적화기법을 이용한 모빌리티 프레임의 골격형 구조설계 방안
고동현(D. H. Ko),신동석(D. S. Shin),전의식(E. S. Jeon) Korean Society for Precision Engineering 2021 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 Vol.2021 No.11월
개인이동수단인 퍼스널 모빌리티(Personal Mobility)는 이동 수단 분야부터 운송 수단 분야 등의 다양한 목적으로 활용되고 있다. 퍼스널 모빌리티의 높은 접근성은 활용성을 증가시켜왔지만, 대부분 경험에 의존한 설계 및 제작이 수행되고 있다. 또한 모빌리티 프레임이 일체형으로 만들어지고 있음에 따라, 구조의 과설계가 이루어지고 있다. 이에 따라 고중량-저안전 문제가 발생할 수 있어 골격형 구조의 최적화 설계 방안의 도입이 필요하다. 본 논문에서는 자동차 부품 설계에 활용되고 있는, 공학적 설계 접근 방식 중 하나인 위상최적화 기법을 활용하여 모빌리티 프레임에 대한 설계를 수행했다. 먼저, 대중적으로 많이 활용되는 모빌리티 프레임에 대해 레이아웃 설계와 유한요소모델링을 수행했다. 그리고 프레임의 물성, 하중 조건 그리고 경계조건을 부여하였으며, Trial-and-error 를 줄이기 위해 FE Simulation 을 통하여 구조 강도를 분석했다. 위상최적화 이론은 SIM (Solid Isotropic Material with Penalization)를 활용했으며, 위상최적화 결과를 파이프 구조로 후처리하여 모빌리티 프레임의 기본적인 구조를 확립했다. 마지막으로 모빌리티 프레임의 부품 별 치수 최적화를 수행하여 개념 설계안을 완성했다. 본 논문의 연구 과정과 결과는, 안전하고 단순한 구조를 갖기 위한 모빌리티 프레임의 골격 설계 과정에서 활용될 수 있을 것으로 기대한다.