내구성을 고려한 마운팅 브래킷 형상 최적화 프로세스

CAD&Graphics 2016년 12월호부터 4회에 걸쳐 포괄적인 해석 워크플로를 제공하는 시뮬리아(SIMULIA) 솔루션의 포트폴리오를 소개한 바 있다. 앞으로 5회에 걸쳐 다양한 분야에서 시뮬리아를 활용할 수 있는 해석 프로세스에 대해 추가로 소개하고자 한다. 이번 호에서는 내구성을 고려한 마운팅 브래킷의 형상 최적화 프로세스를 살펴본다.

■ 박기석 | 한양대학교 기계공학부 및 대학원을 졸업하고 다쏘시스템코리아 시뮬리아 기술팀의 솔루션 컨설턴트로 근무 중이다. 관심 분야는 구조해석 및 최적화이다.
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마운팅 브래킷(mounting bracket)은 여러 산업분야에 걸쳐 구조물의 지지와 결합 등에 널리 사용되는 부품이다. 특히 자동차 분야에서는 주행시 차체 및 노면으로부터 가진력이 마운팅 브래킷을 통해 프레임에 전달되므로 프레임에 부착된 브래킷들은 충분한 강성과 내구성 확보가 요구된다. 특히 요즘에는 차량이 고성능화되고, 연비저감으로 인하여 중량은 낮아지면서, 요구 강성은 더 높아지고 있다. 기존에는 마운팅 브래킷 설계 시 목표하는 강성과 수명을 만족하기 위해 설계 및 해석을 반복해야 하는 어려움이 있었다.
이번 호에서는 <그림 1>과 같이 토스카(TOSCA)의 위상최적화를 통해 마운팅 브래킷의 개념 설계를 수행하고, 에프이세이프(fe-safe)와의 연동을 통한 토스카의 형상 최적화를 수행함으로써 내구성 개선을 위한 방법론을 소개하고자 한다.
 

그림 1. 브래킷의 형상 최적화 프로세스  

1. 마운팅 브래킷의 구조해석
 

그림 2. 마운팅 브래킷의 경계 및 하중조건  

마운팅 브래킷의 구조해석은 구조해석 분야에서 가장 널리 쓰이고 있는 아바쿠스(Abaqus)를 사용하였다. 경계 및 하중조건은 <그림 2>와 같이 체결부위인 양쪽 홀 주위를 구속하였고, 하중은 중앙 부분에 3개의 로드케이스(로드케이스1 : Fz = 60 kN, 로드케이스2  : Fy = 20 kN + Fz = 24 kN, 로드케이스3 : My=5 kNm)가 작용하고 있다. 마운팅 브래킷의 물성은 SAE-0030을 사용하였다. SAE-0030은 밀도(density) 7.85e-9 ton/mm^3, 영 계수(young’s modulus) 196.5 GPa, 프와송비(poisson’s ratio) 0.33, 최대인장강도 421.5 MPa을 가진다. 해석 결과는 <그림 3>과 같이 각각의 로드케이스에 대해 최대 주응력이 51 MPa, 81.6 MPa, 121.7 MPa으로 나왔다.
 

그림 3. 마운팅 브래킷 구조해석 결과