Convergence Technique Study of Durability Analysis due to the Track Pad Shape of Track Vehicle with Heavy Weight

*Corresponding Author : Jae-Ung Cho([email protected])

Received November 11, 2015 Revised December 24, 2015

Accepted February 20, 2016 Published February 29, 2016

중량 궤도차량의 궤도 패드형상에 따른 내구성 해석의 융합 기술 연구

이정호¹, 조재웅^2*

1공주대학교 대학원 기계공학과, ²공주대학교 기계자동차공학부

Convergence Technique Study of Durability Analysis due to the Track Pad Shape of Track Vehicle with Heavy Weight

Jung-Ho Lee¹, Jae-Ung Cho^2*

1Department of Mechanical & Automotive Engineering, Graduate School, Kongju University

2Division of Mechanical & Automotive Engineering, Kongju University

요 약 중공업과 군사목적으로 사용되는 궤도차량은 고중량의 차체를 버티기 위해 차체에서 전달되는 하중으로 기동륜을 감싸고 있는 링크는 큰 힘을 받게 되는데, 이 발생된 힘은 궤도전체의 내구성 저하를 야기하게 된다. 본 논문에서는 3가지의 상용화된 궤도 패드의 형상들을 가진 모델들을 설계하고, 내구성 저하로 발생될 수 있는 궤도패 드의 마모와 링크의 파손을 효과적으로 줄일 수 있는 모델을 고안하였다. 또한 본 연구 결과를 궤도차량 설계에 접목함으로써, 파손방지와 내구성향상을 위한 안전설계에 기여할 수 있으며, 패드 형상의 디자인적인 요소를 융합기 술에 접목하여 그 미적인 감각을 나타낼 수 있다.

• Key Words :

Abstract In order that the track vehicle utilized on the purpose of heavy industry and military affair may endure the vehicle body with heavy weight, the link surrounding the mobile wheel is affected with the great force by the load transferred at the vehicle body. This happened force gives rise to a decline in the durability throughout the track. In this paper, the models with the shapes of track pads in common use are designed and the model at which the wear of track pad and the damage of link can be decreased effectively is contrived. Also, by applying this study result to the design of track vehicle, it can contribute to the safe design for damage prevention and durability improvement. It is possible to be grafted onto the convergence technique at the designed factor of pad shape and show the esthetic sense.

• Key Words :

1. 서론

중공업과 방위산업에서 사용되는 고 중량의 장비들은 대부분 차륜을 이용하기보다 무한궤도를 적용하고 있음

을 특징으로 하고 있다. 무한궤도는 접지력을 높이기 위 한 궤도패드(Track pad)와 각 궤도(Track)간의 연결을 위한 링크를 포함한 궤도 프레임이 수십 개가 연결되어 동력을 전달한다. 궤도를 사용하게 됨으로써 얻을 수 있

는 이점으로 기존의 바퀴가 장착된 차륜차량에 비해 험 지 주파력이 향상되며 비포장 상태의 노면에서도 효과적 으로 운행할 수 있다. 이런 궤도의 접지력을 높이기 위한 궤도패드는 고중량의 차체의 하중을 지지하며 동시에 기 동하면서 발생되는 노면과의 마찰에 노출되어 있어 마모 가 빠르게 일어나 유지보수에 영향을 끼쳐 작업효율성을 낮추는 요인이 된다. 또한 궤도의 링크는 동력계에서 발 생하는 힘을 지속적으로 지지하며 장력에 의한 파손의 위험성에 노출되어 있다. 본 논문에서는 동력을 전달하 기 위한 궤도차량의 궤도에 차량의 하중과 궤도링크에 의해 가해지는 힘을 실제 운행되는 환경을 모사하며, 3D CAD 프로그램인CATIA를 통해 3D 모델을 구성하며 이 에 대한 구조해석을 ANSYS를 통해 진행한다. 또한 이 때 발생하는 피로파괴를 확인하기 위해, 3가지 피로 사이 클을 적용하여 궤도에서 발생할 수 있는 진동환경을 재 현한다. 이를 통해 궤도차량의 궤도 패드에 대한 피로해 석결과와 구조해석결과를 토대로 실품 테스트 이전에 수 명평가를 할 수 있으며 장기간 운행시 파손이 발생 할 수 있는 부위를 예방과 비용을 절감할 수 있다. 또한 사전에 파손과 변형에 대해 사전데이터를 얻을 수 있어 이를 설 계인자에 반영하여 차기 궤도설계에 반영할 수 있으며, 해석결과를 통해 궤도차량의 가혹한 운행환경에서의 궤 도패드의 파손 및 내구성을 검토할 수 있어 안전설계에 활용할 수 있을 것으로 사료된다. 또한 해석결과를 토대 로 설계에 응용하여 융합 기술로의 접목도 가능하여 미 적인 감각을 나타낼 수 있다.

2. 본론 2.1 해석모델

(a) Model 1

(b) Model 2

(c) Model 3 [FIg. 1] Configuration of model

(a) Model 1 (b) Model 2

(c) Model 3 [Fig. 2] Meshes of models

[Fig. 1]은 해석모델에 관한 것으로, 해석 값의 응력분 포와 피로에 대해 오류 값을 줄이기 위해 단순화 및 불필 요한 부품을 제거하였다. 해석모델은 각각 Model 1과 Model 2, Model 3의 세 가지 경우로 나누어 해석하였다.

[Fig. 2]는 3D로 구성된 해석모델을 유한요소 해석을 위 한 요소를 생성하였다. 모델에 생성된 유한요소는 험지 주파력을 높이기 위해 2열 궤도에 교환형 패드를 가진 Model 1에서 105,900개, 기존의 2열 일체형 궤도를 가진 Model 2에서 105,496개, 폭이 넓은 1열 궤도와 일체형 패 드를 지닌 Model 3에서 226,660개로 해석모델의 조밀한 요소생성으로 정밀한 값을 도출한다. 다음의 <Table 1>

과 <Table 2>는 해석을 위해 적용된 물성에 관한 것으 로, 궤도에 주로 쓰이는 열처리 합금을 사용하였으며

<Table 2> 는 궤도패드에 관한 것이다.

<Table 1> Material property (Track)

Young's Modulus(MPa) 200000

Poisson's Ratio 0.3

Density(kg/mm

) 7.85×

Tensile Yield Strength(MPa) 250 Tensile Ultimate Strength(MPa) 460 Compressive Ultimate Strength(MPa) 0

<Table 2> Material property (Track pad)

Young's Modulus(MPa) 119000

Poisson's Ratio 0.42

Density(kg/mm

) 5.45

Tensile Yield Strength(MPa) 180 Tensile Ultimate Strength(MPa) 280 Compressive Ultimate Strength(MPa) 180

2.2 해석모델의 경계조건

각 모델의 경계조건은 [Fig. 3]에서 도시된 바와 같이 고 중량의 차체가 연직방향으로 궤도를 누르는 것을 가 정하여 궤도 하부를 고정하며 100KN의 힘을 가하며 동 력계에서 발생하는 장력을 모사하기 위해 궤도링크에 연 결됨을 가정하여 50KN의 힘을 수평으로 가하였다. 이를 통해 차체가 궤도를 누르면서 기동을 위해 동력계에서 전해지는 장력을 모사하여 궤도패드에 가해지는 힘을 각 모델별로 확인할 수 있다[1,2,3,4,5,6,7,8].

(a) Model 1

(b) Model 2

(c) Model 3 [Fig. 3] Constraint conditions

[Fig. 4]는 피로해석에 사용되는 피로하중에 관한 것 으로, (a)의 SAE bracket history는 험지를 주행하는 환 경을 가정한 것으로 피로주기들 중 가장 큰 진폭을 가진 다. 이 같은 큰 진폭을 가지는 피로주기는 같은 하중에서 도 더 큰 파괴를 일으키기 때문에 가장 가혹한 운용환경 을 의미한다. (b)의 SAE transmission은 이보다 약간 덜 한 노면에서의 운용을 가정하였으며 (c)의 Sample history는 평지에서의 운용을 가정한 피로해석 주기이다.

본 논문에서는 SAE braket history를 적용하여 가장 가 혹한 환경에서의 궤도의 내구성을 확인한다[9,10,11].

(a) SAE bracket history

(b) SAE transmission

(c) Sample history

[Fig. 4] Fatigue load applied at fatigue analysis

2.3 피로해석 결과

[Fig. 5]는 Model 1의 피로해석 결과로 각 피로조건상 에서의 수명계수와 파손결과를 나타내었다. 먼저 SAE bracket history에서는 링크의 국소적인 파손이 우려되는 결과를 볼 수 있다. 파손이 발생하는 부위는 고정된 중심 을 기점으로 동력을 전달받는 링크의 이음쇠의 선단에서 파손이 발생할 것으로 판단된다[12,13,14,15].

[Fig. 5] Fatigue analysis result of model 1 (L: Life R: Damage)

[Fig. 6] Equivalent stress at model 1

[Fig. 6]은 Model 1의 구조해석을 통한 등가응력값으 로, Model 1에서는 궤도 전체에서 1,435MPa이 발생되었 으며 이때 궤도패드에서 490MPa이 발생됨을 볼 수 있었 다. 특히 궤도패드에 있어 선단에서 높은 응력 값이 관찰 되며 모서리부터 마모가 시작될 것으로 보인다.

[Fig. 7] Fatigue analysis result of model 2 (L: Life R: Damage)

[Fig. 7]은 Model 2에서의 피로해석 결과 값으로, 수명 계수에 있어서는 Model 1과 큰 차이는 없지만, 파손에서 큰 차이를 보이고 있다. Model 1에서 파손예측부위는 링 크 이음쇠에 넓게 분포 되었던 반면 Model 2에서는 감소 됨을 볼 수 있다.

[Fig. 8] Equivalent stress at model 2

이는 [Fig. 8]의 응력분포값에서도 확인할 수 있다. 궤 도에 가해지는 응력은 1,370MPa로 약 100MPa정도 감소 됨을 볼 수 있었으며 궤도패드에 가해지는 응력도 30MPa 감소됨을 볼 수 있어 Model 1 대비 궤도와 궤도 패드에 가해지는 응력의 감소를 통해 파손될 수 있는 부 위의 감소를 확인할 수 있었다.

[Fig. 9] Fatigue analysis result of model 3 (L: Life R: Damage)

[Fig. 8]은 Model 3의 피로해석결과로, 2열로 배열됐 던 Model 1과 2와는 달리 매우 높은 파괴 값이 보이고 있 다. 이는 단일형상으로 구성되어 2열로 배치됐던 Model 1과 2에 비해 효과적인 응력감소가 이루어지지 못한 것 으로 사료된다.

[Fig. 8] Equivalent stress at model 3

이 같은 결과는 응력분포값에서 다시 확인할 수 있다.

궤도에 가해진 응력은 1,713MPa, 궤도패드에 가해진 응 력이 1,450MPa로 나타나 3가지 모델중 가장 높은 응력분 포를 보였다. 또한 궤도의 응력분포에 있어 궤도전반에 걸쳐 높은 응력 값을 보이고 있어 궤도전체의 파괴가 우 려되고 있다.

3. 결론

본 논문은 궤도차량에 사용된 궤도와, 궤도패드의 내 구성에 관해 피로해석을 토대로 각 모델 간 비교 및 분석 한 결과 다음과 결론을 도출하였다.

1) 각 모델간의 피로해석 결과를 토대로 비교하였을 때, Model 2에서 파손이 일어날 수 있는 예상부위 의 면적이 가장 적었으며 이를 통해 가혹한 환경에 서도 내구성을 발휘할 수 있음을 알 수 있었다.

2) 본 연구에서의 해석결과들을 통해 Model 2에서 가 장 낮은 응력값을 보이고 있었으며 이때 궤도에 가 해진 값은 Model 1 대비 6.3%,, Model 2 대비 68%

향상됨을 토대로 Model 2에서 궤도와 궤도패드의 내구성이 가장 우수함을 알 수 있었다.

3) 생산기술적인 측면에서는 공정과 원자재 가격을 고 려하였을 때, Model 2의 해석결과를 토대로 설계에 응용하여 융합 기술로의 접목도 가능하여 미적인 감각을 나타낼 수 있다.

REFERENCES

[1] J. P. Kong, Y. S. Lee, J. O. Lee, H. S. Lee, J. H. Lee, J. T. Kim, S. S, Kwak, “A Study on the Fatigue Analysis of Heavy Duty Diesel Engine”, The Korean Society of Automotive Engineers, Vol. 23,

No. 32, pp. 1990-1994, 2007.

[2] K. W. Kang, I. J. Chang, J. K. Kim, Vibration

"Fatigue Analysis for Multi-Point Spot-Welded SPCC Structure Considering Change of Dynamic Response", The Korean Society of Mechanical Engineers, Vol. 34, No. 9, pp. 1193-1199, 2010.

[3] J. K. Kim, D. M. Lim, I. S. Yoon, K. W. Kang,

“Fatigue Analysis of Fiber-Reinforced Composites Using Damage Mechanics”, The Korean Society of Mechanical Engineers, Vol. 30, No. 2, pp. 112-119, 2006.

[4] M. S. Han, J. U. Cho, “A Study on Durability of Under Bar at Car Through Structural and Fatigue Analysis”, Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 14 No. 2, pp.

44-50, 2015.

[5] M. S. Han, J. U. Cho, “Structural and Fatigue Analysis on Shock Absorber Mount of Automobile”, Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 11, No. 1, pp. 125-133, 2012.

[6] J. W. Jin, K. W. Kang, J. H. Kim, “Quasi-static and Vibration Fatigue Analysis of Vibration-based Energy Harvester”, Korean Society for Precision Engineering, Vol 15, No. 2, pp. 135-142, 2015.

[7] H. S. Park, J. H. Choi, J. M. Koo, C. S. Seok,

“Fatigue Damage Evaluation of Woven Carbon-Fiber-Reinforced Composite Materials by Using Fatigue Damage Model”, The Korean Society of Mechanical Engineers, Vol. 34, No. 6, pp.

757-762, 2010

[8] J. G. Park, J. H. Park, Y. C. Park, “A FLOW CHARACTERISTICS FOR Y-CONNECTION IN HIGH-REYNOLDS-NUMBER FLOW SYSTEM”, Korean Society for Computational Fluids Engineering, Vol. 18, No. 2, pp. 1-8, 2013.

[9] H. J. Jung, “The Analysis of Data on the basis of Software Test Data”, Journal of Digital Convergence, Vol. 13, No. 10, pp. 1-7, 2015.

[10] Y. H. Cho, “Manufacturing convergence simulation system effect for the degree of perfection improvement of the new product”, Journal of Digital

Convergence, Vol. 13, No. 6, pp. 91-103, 2015.

[11] W. B. Lee, W. Y. Hao, B. P. Kyung, S. H. Ryu,

“Dismantling Simulation of Nuclear Reactor Using Par tial Mesh Cutting Method for 3D Model”, Journal of Digital Convergence, Vol. 13, No. 4, pp.

303-310, 2015.

[12] Y. C. Lim, H. S. Yang, “A Design of a Context-Aware System in Solar Cell Equipment with the use of Multi-sensor”, Journal of Digital Convergence, Vol. 12, No. 11, pp. 265-272, 2014.

[13] B. H. Kim, J. H. Um, R. G. Jeong, Y. S. Byun, S.

W. Kang, “Development of an Operation Control System of the Vertical Transferable Korean Personal Rapid Transit”, Journal of Digital Convergence, Vol. 12, No. 10, pp. 337-343, 2014.

[14] J. H. Lee, J. U. Cho, “Convergence Technique Study through CAE due to the Shape of Lift for Car”, Journal of the Korea Convergence Society, Vol. 6, No. 5, pp. 49-54, 2015.

[15] J. H. Lee, J. U. Cho, “Study on Convergence Technique due to the Shape of Cruiser Board through Structural Analysis”, Journal of the Korea Convergence Society, Vol. 6, No. 4, pp. 99-104, 2015.

저자소개

이 정 호(Jung-Ho Lee) [학생회원]

․2015년 2월 : 공주대학교 기계자 동차공학부(공학사)

․2015년 3월 ～ 현재 : 공주대학교 대학원 기계공학과(공학석사 과 정)

<관심분야> : 기계 및 자동차 부품 설계 및 내구성 평가, 피로 또는 충돌 시 동적 해석

조 재 웅(Jae-Ung Cho) [종신회원]

․1980년 2월 : 인하대학교 기계공학 과 (공학사)

․1982년 2월 : 인하대학교 기계공학 과 (공학석사)

․1986년 8월 : 인하대학교 기계공학 과 (공학박사)

․1988년 3월 ～ 현재 : 공주대학교 기계·자동차공학부 교수

<관심분야> : 기계 및 자동차 부품 설계 및 내구성 평가, 피로 또는 충돌 시 동적 해석