본문내용
1. 강체동역학 및 과도 구조 해석
1.1. 모델링
1.1.1. 설계 및 해석 대상
'1.1.1. 설계 및 해석 대상'은 '하늘 걷기' 운동기구의 모델링 및 해석 대상이다. 본 운동기구는 등산로, 공원 등에서 자주 볼 수 있는 것으로, 사람이 운동기구 위에서 운동할 때 충분히 안전하고 지지가 잘 되는지를 알아보고자 하는 것이다. 양쪽 부분은 같은 원리로 움직이기 때문에 단순화하여 한쪽만 모델링하였다.
1.1.2. Assembly & Part 구성 및 치수
3D 모델링에는 'Creo 5.0 Parametic' 프로그램을 이용했으며, 전체 Assembly와 각 Part의 구성 및 치수는 다음과 같다.
전체 Assembly는 의무형상 100mm, 100mm x 50mm로 구성되어 있다. 지지대의 두께는 70mm, 높이는 1200mm이다. 회전 링크의 두께는 50mm, 높이는 1000mm, 가로는 300mm이다. 고정용 핀의 지름은 30mm, 높이는 130mm이다. 손잡이의 두께는 70mm, 가로는 300mm, 높이는 250mm이며, 발판의 가로는 170mm, 세로는 300mm, 높이는 45mm이다.
1.2. Rigid Dynamics
1.2.1. Joint 적용
지지대를 바닥에 고정하는 'BTG - fixed'는 지지대의 제일 아랫면을 ground에 고정시켜 움직이지 않도록 하는 구속조건이다. 손잡이의 아랫면을 지지대의 윗면에 고정시키는 'BTB-fixed'는 손잡이와 지지대 간의 움직임을 구속하여 일체화하는 역할을 한다. 발판의 아랫면과 회전 링크를 고정하는 'BTB-fixed'는 발판과 회전 링크가 함께 움직이도록 구속한다. 발판과 의무형상 간의 'BTB-fixed' 구속은 이들이 일체화되어 함께 움직이게 한다. 회전 링크와 연결핀은 'BTB-revolute'로 구속하여 회전운동만 가능하게 하였다. 연결핀과 지지대 또한 'BTB-revolute' 구속을 이용하여 회전운동만 허용하도록 하였다. 이와 같은 다양한 joint 적용을 통해 하늘 걷기 운동기구의 구조와 거동을 실제와 유사하게 모사할 수 있다.
1.2.2. Analysis Setting
'Number of Steps을 10단계로 나누었고, 각 단계는 0.2초가 되도록 설정하였다." 이는 제안된 해석 설정 내용으로, 하늘 걷기 운동기구의 동역학 해석을 위해 시간 간격을 세밀하게 나누어 분석하고자 함을 보여준다. 이를 통해 운동기구의 동적 거동을 보다 상세하게 관찰할 수 있을 것이다.
1.2.3. Load 적용
사람이 일반적으로 하늘 걷기 운동기구를 이용할 때 아래쪽과 앞쪽으로 동시에 발의 힘을 준다고 하였다. 따라서 Remote Force를 아래 방향과 앞 방향으로 나누어 설정하였다. 또한 30대 기준 다리로 미는 평균 힘이 255N이라고 가정하고, 아래와 앞 방향의 두 방향으로 나누기 위해 sqrt {2} 로 나누어, 각 180N의 힘이 가해진다고 설정하였다""
1.2.4. 해석 결과
해석 결과는 다음과 같다. 총 변형이 최대로 일어날 때 약 0.75초 부근에서 발판의 변위가 536.45mm로 기록되었다. 또한 발판의 최대 속도는 약 1.24초에서 1625.5mm/s로 나타났다. 이를 통해 회전링크가 고정축 회전운동을 하는 것을 확인할 수 있었다. 1회전의 주기는 1.25초이므로 30대의 평균 다리 힘으로 하늘 걷기 운동기구를 밀었을 때 1.25초당 한 걸음을 걷는 효과를 얻을 수 있다는 것을 알 수 있다.
1.3. Trasient Structural
1.3.1. 재료 선정
반복적이고 주기가 매우 짧고 횟수가 많은 하중이 가해지고, 큰 피로 하중을 고려하고 안전이 중요한 운동기구이기 때문에 structural steel을 재료로 선정하였다. Structural steel의 항복강도가 250MPa로 매우 높아 피로 하중에 충분히 견딜 수 있을 것으로 판단하였다. 또한 운동기구의 설치 위치가 공원이나 등산로 등 야외환경이므로 내구성이 강한 재료가 필요하다. 비용 측면에서 Aluminum Alloy보다 Structural Steel이 더 저렴하기 때문에 Structural Steel을 최종 선정하였다.
1.3.2. Mesh
하늘 걷기 운동기구의 Transient Structural 해석을 위해 Mesh를 설정하였다. Geometry에서 회전링크의 재료를 rigid에서 flexible로 변경하였으며, Mesh-Sizing에서 Mesh 사이즈를 20mm로 변경하였다. 이를 통해 운동기구의 움직임이 눈으로 관찰되고, 중요한 부분인 발판과 연결되어있는 회전 링크를 분석하고자 하였다. 이러한 Mesh 설정을 통해 보다 자세한 변형률과 응력 분포를 파악할 수 있었다.
1.3.3. 해석 결과
변형이 최대로 일어날 때 쯤의 운동기구의 형상입니다. 약 0.3초에서 14.16MPa의 응력이 발생하는 것을 확인할 수 있습니다. 또한 회전 링크의 가장 아랫부분에서 큰 응력이 발생합니다. Structural Steel의 항복강도 250MPa에 비해 매우 작은 응력분포 결과가 나타나 Aluminum Alloy의 재료로 바꾸고 다시 해석을 진행하였습니다. 그 결과, 변형률 structural steel과 유사하게 약 0.74초 부근에서 654.53mm의 값이 기록됨을 알 수 있습니다. 응력 또한 마찬가지로 약 0.308 초에 최대 14.94MPa의 응력이 발생하는 것을 확인할 수 있습니다. 이를 통해 Aluminum Alloy로 제작해도 피로 하중을 충분히 견딜 것이라고 판단됩니다.
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