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복합재 격자구조체의 치수최적화 및 구조해석 자동화 프로그램 개발
안효훈(Hyo Hun An),정민호(Min Ho Jung),김남훈(Nam Hun Kim),이은비(Eun Bi Lee),신광복(Kwang Bok Shin) 대한기계학회 2022 大韓機械學會論文集A Vol.46 No.1
본 논문에서는 필라멘트 와인딩 공법에 의해 제작되는 탄소섬유 복합재 격자구조물의 설계에서부터 치수최적화 및 구조해석까지 가능한 자동화 프로그램 AAPLS(auotmatic analysis program of lattice structure)를 개발하는데 목적을 두고 있다. AAPLS는 APDL(ANSYS parametric design language)을 활용하여 설계변수 입력 시 자동으로 격자구조물의 유한요소 모델링이 생성되도록 하였으며, 또한 설계 변수의 입력은 사용자의 편의성을 고려하여 GUI 환경에서 가능하도록 개발하였다. 추가적으로 해석시간 단축을 위해 순환대칭기법을 활용한 유한요소 모델링을 생성하여 유한요소 모델링 시간이 90% 이상 단축되었다. AAPLS의 신뢰성은 필라멘트 와인딩 공법에 의해 제작된 높이 617.87 mm, 직경 600 mm의 원통형 복합재 격자구조체에 대한 압축 시험을 통해 검증하였다. 검증 결과, 490 kN의 압축시험에서 해석과 시험의 하중-변위 곡선이 최대 6%의 오차만을 보여 잘 일치함을 확인하였다. The purpose of this study is to develop and verify the automatic analysis program of lattice structure (AAPLS) for the design, size optimization, and structural analysis of carbon fiber composite lattice structures manufactured by the filament winding method. The AAPLS utilizes the ANSYS parametric design language (APDL) program to automatically generate a finite element model of composite lattice structures using design variables as input. It employs a graphical user interface (GUI) environment to input the design variables for user convenience. In addition, modeling and structural analysis are carried out using cyclic symmetry techniques to reduce the analysis time. It was confirmed that the modeling time was reduced by over 90% when the finite element model was created using an automation program. Reliability verification for the AAPLS was conducted through compression tests on a cylindrical composite lattice structure with a height of 617.87 mm and a diameter of 600 mm manufactured by the filament winding method. As a result, load-displacement curves between the compression test and the structural analysis performed by the AAPLS showed good agreement with only up to six differences.
복합재 구조물 유지보수를 위한 소형 매니퓰레이터 플랫폼 개발
송근수 ( Geun-su Song ),안효훈 ( Hyo-hun An ),신광복 ( Kwang-bok Shin ) 한국복합재료학회 2023 Composites research Vol.36 No.2
본 논문에서는 복합재료로 제작된 구조물의 유지보수 자동화를 위한 소형 매니퓰레이터 플랫폼 개발을 위해 기구학적 설계와 다물체 동역학 해석을 수행하였다. 매니퓰레이터의 기구학적 설계를 수행하기 위해 기존 복합재 보수 공정을 고려하였다. 보수용 패치 적층 공정을 고려하여 매니퓰레이터와 엔드 이펙터의 기본 제원을 선정한 뒤 3-D 설계를 수행하였다. 이후 보수공정을 고려한 역기구학 해석을 통해 시뮬레이션 및 제어에 필요한 변수를 MATLAB에서 생성하였다. 플랫폼의 구조안정성 평가를 위해 Altair Inspire와 Optistruct를 통한 다물체 동역학 해석을 수행하였다. Inspire에서 진행된 시뮬레이션을 기반으로 Optistruct에서 다물체 동역학 해석을 수행한 뒤 시간에 따른 최대 변위와 Von-Mises 응력 결과를 통해 구조안정성을 검증하였다. 설계검증을 위해 플랫폼의 실제 제작 및 제어를 수행하여 시뮬레이션과 비교한 결과, 실제 보수과정 경로와 시뮬레이션이 잘 일치하는 것을 확인하였다. In this paper, kinematic design and multi-body dynamics analysis were conducted to develop a small manipulator platform for automating the maintenance of structures made of composite materials. To design manipulator kinematically, the existing composite repair process was considered. The 3D design was conducted after selecting the basic specifications of manipulator and end-effecter in consideration of the patch lamination process for repair. Then, variables necessary for simulation and control were generated in MATLAB through inverse kinematic analysis. To evaluate the structural stability of platform, multibody dynamics analysis was conducted using Altair Inspire and Optistruct. Based on the simulation conducted in Inspire, multibody dynamics analysis was conducted in Optistruct, and structural stability was verified through the results of maximum displacement and Von-Mises stress over time. To verify the design, manufacturing and controlling of platform were conducted and compared with the simulation. It was confirmed that the actual repair process path and the simulation showed a good agreement.