최적화 기법을 이용한 엔진 커넥팅로드의 Shank부 경량설계 : The Light Weight Design of Shank Part in the Engine Connecting Rod Using Optimization Technique
- 발행기관 서강대학교 대학원
- 지도교수 이태수
- 발행년도 2007
- 학위수여년월 200702
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 기계공학
- 식별자(기타) 000000103724
- 본문언어 한국어
초록/요약
엔진 커넥팅 로드는 자동차 엔진룸에서 피스톤의 왕복운동을 크랭크축의 회전운동으로 전환시켜주는 중요한 운동계 부품중 하나이다. 엔진룸 내에서의 고압 폭발에 의한 압축력과 관성에 의한 인장력을 반복적으로 받으므로 이에 발생하는 하중에 부합되는 안정성 및 내구성을 확보해야 하며 또한 이와 동시에 시스템 효율의 향상을 위한 경량화가 이루어져야 한다. 따라서 커넥팅 로드의 형상에 따라 내구성 및 안정성 그리고 시스템의 효율이 결정되므로 이에 가장 큰 영향을 미치는 설계변수를 결정하고 이에 대한 민감도를 분석할 필요가 있다. 또한 초기 설계시 여러 설계 기준들에 대한 안정성을 제약조건으로 설정하여 최적화기법을 수행함으로써 각 조건들을 만족하는 검증된 설계변수를 결정할 수 있다. 커넥팅로드 shank부에 작용하는 하중조건은 외력과 관성력이 조합된 최대 인장하중 조건과 실린더 내 폭발압력과 관성력이 조합된 최대 압축하중 조건으로 구분할 수 있으며 이는 반복적으로 작용함으로써 커넥팅 로드의 강도, 내피로성, 내좌굴성을 요구한다. 따라서 본 연구의 목적은 세 가지 설계기준을 제시하고 민감도 해석을 통해 각 설계기준들의 중요도를 예측하며 최적화 알고리즘을 통해 커넥팅 로드에 요구되는 구동조건에 가장 적합한 형상의 설계변수를 결정하는데 있다. 목적함수(Objective Function)를 설정하고, 또한 설계변수와 제약조건을 설정하여 최적화 알고리즘(Conjugate Gradient Method)을 이용했으며 경계조건에 해당하는 각 설계 기준들에 대한 안전계수를 얻기 위해 유한요소 해석 상용프로그램인 ABAQUS와 연동하여 최적화를 수행하였다. 이를 토대로 엔진 커넥팅 로드의 구조를 보다 효율적이고 안전하게 설계하고, 커넥팅 로드의 구동에 요구되는 사항에 대해 최적의 형상을 얻음으로써 과대설계, 과소 설계로 인한 문제점을 해결하고, 새로운 모델을 설계할 수 있게 되었다.
more초록/요약
The engine connecting rod is one of the important driving components that transmit reciprocating motion of the piston to rotating motion of the crankshaft in automobile engine room. It should have stability and durability because it is subjected to compression by high pressure explosion and tension by inertia. Also, light weight design is essential for the improvement of system efficiency. Because stability, durability and system efficiency are decided by the shape of the connecting rod, it is necessary to decide the design variables that affect above factors and analyze the sensitivity. Furthermore, it is possible to decide verified design variable that satisfies each condition by setting stability about various design factors as a constraint and by performing optimizing method. The loading condition acting on shank part of the connecting rod is divided maximum tensile loading condition combined by external force and inertia force and maximum compressive loading condition combined by explosive force in cylinder and inertia force. Because those forces act repeatedly, the connecting rod needs strength, fatigue endurance, buckling endurance. Therefore, the purpose of this study is to suggest three design factors, to predict the importance of each design factor by sensitivity analysis and to decide design variables of the shape which fits the driving conditions for connecting rod most properly by the optimizing algorithm. We set the objective function and used optimizing algorithm (Conjugate Gradient Method) by setting design variables and constraints. To get a safety factor for each design factor which is boundary condition as well, we performed optimization with commercial finite element analysis program, ABAQUS. So, it was possible to design the engine connecting rod efficiently and safely. By getting optimal shape for the factors needed to drive the connecting rod, the problems due to excessive or insufficient design were solved and new model can be designed.
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