3차원 격자생성기법을 적용한 경량구조물 자동설계 및 유한요소해석 :Automatic Design and Finite Element Analysis of Lightweight Structures using 3D Mesh Generation

임영은

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자료유형: 학위논문

저자정보: 임영은 (서울과학기술대학교, 서울과학기술대학교 대학원)

지도교수: 박근

발행연도: 2017

저작권: 서울과학기술대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수4

이 논문의 연구 히스토리 (3)

2018

유한요소망을 이용한 다공성 박판 구조물의 자동설계

임영은 , 박근 대한기계학회 논문집 A권 2018.03 학술저널

2017

유한요소망을 이용한 3 차원 경량구조물 자동설계 및 해석

임영은 , 박근 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 2017.12 학술대회자료

3차원 격자생성기법을 적용한 경량구조물 자동설계 및 유한요소해석

임영은 기계설계로봇공학과 2017.01 학위논문

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3차원 프린팅은 의료, 자동차, 기계 등 다양한 산업분야에서 활용되고 있으며, 최근 시제품 제작의 범위를 넘어서 제품을 직접 제조하여 적용하는 방향으로 영역을 확대하고 있다. 3차원 프린팅 기술은 형상의 제약 없이 복잡한 형상의 제작이 가능하다는 장점이 있어 기존 제조공정상의 제한으로 인해 불가능했던 새로운 설계가 가능하게 되었다. 이러한 점을 활용하여 제품의 경량화 및 통기성 향상등에 장점이 있는 경량화 구조물이나 부품이 일체화된 제품 등 적층제조 특화 설계에도 사용되고 있다. 이중 경량화 구조물의 경우 이를 설계하는 과정이 매우 복잡하고 많은 시간이 소요되며, 경량화로 인한 강성저하가 발생할 수 있다.
본 연구에서는 3차원 프린팅 기술에 적용할 목적으로 경량화 및 통기성 향상의 장점이 있는 댜공성 박판 구조물의 자동설계 및 유한요소 해석을 수행하였다. 다공성 박판 구조물을 설계하고 굽힘강성을 비교하였으며, 강성 저하를 보완하기 위한 보강설계를 수행하고 유한요소해석을 통해 보강구조물의 설계에 따른 굽힘강성의 변화를 고찰하였다. 또한 반응표면분석 또는 주효과도 분석을 통하여 설계변수의 최적화를 수행하고 설계안에 적용하였다. 보다 복잡한 박판구조물의 자동설계를 위하여 유한요소망에 기반한 다공성 구조와 보강구조물의 자동설계 알고리즘을 수치적으로 개발하였다. 개발된 알고리즘을 적용하여 요소망 크기와 구멍 크기에 따른 다공성 구조물의 형상의 변화를 고찰하였으며, 요소망 크기 및 형상에 따라 구멍의 크기와 생성 여부를 자동으로 조절할 수 있는 알고리즘을 구현하여 구멍간의 간섭 없이 상대표면밀도를 60% 이하로 낮출 수 있었다.
또한 유한요소망 정보를 바탕으로 3차원 입체 형상의 경량화를 위하여 격자형 경량 구조물의 자동설계 알고리즘을 개발하고 해당 알고리즘을 검증하기 위하여 압축시험 및 유한요소해석을 수행하였다. 이를 활용하여 형상의 왜곡이 발생하지 않고, 적정 경량화 수준을 유지하며 실제 제품으로 사용이 가능한 강도를 갖는 경량화 제품을 제작하였다. 본 연구에서 적용된 알고리즘을 활용하여 경량구조물을 자동으로 설계하는 경우 기존 설계 방식 대비 3차원 설계에 소요되는 시간이 감소하며, 실제 제품으로 사용 가능한 강도를 가지는 제품을 설계 할 수 있다.

3D printing has been used in various industries such as medical, automobile and machniery. In recent years, 3D printing has extended its applications from conventional rapid prototyping (RP) to direct fabrication of functional parts. 3D printing technology has a advantage of design complexity so that it has dirven new design methods that can overcome traditional manufacturing constraints. Using this advantage, 3D printing has been applied to design for additive manufacturing(Including lightweight structures or functional products). The design process of the lightweight structures is very complicated and takes long time, and, although the lightweight structure have many advantages in weight reduction and material saving.
In this study, the automatic design and finite element analysis of porous shell and lattice lightweight structures were performed for weight reduction and better ventilation of 3D printed parts. Porous shell structures were designed and finite element (FE) analysis was performed to compare the effective stiffness of the porous structure and conventional solid structure. Structural reinforcements are also considered in order to make up the stiffness reduction due to the porosity, and the relevant FE analysis are performed to investigate the effect of the reinforcement design on the bending stiffness. Also, optimization of design parameters or main effect analysis was performed to apply the reinforcement structure.
A numerical algorithm was proposed to generate porous shell structures based on finite element mesh. By applying the proposed algorithm, the change of shapes of the porous shell was considered according to the mesh size and the hole size. Adaptive hole diameter determination algorithm was proposed to generate holes adaptively according to the target geometry and relevant mesh density and shape. As a result, surface density could be reduced lower than 60 % without hole interference.
And we proposed an automatic design methodology for conformal lightweight structure using tetrahedral mesh. A numerical algorithm was developed to generate lightweight cellular structures as the following steps: (ⅰ) definition of a target solid, (ⅱ) discretization of the target volume using mesh, (ⅲ) construction of a number of structs along the edges of every tetrahedral element, (ⅳ) boolean operation to unify the generated struts. This algorithm was then applied to generate conformal cellular structures with various shapes. Effect of lattice design parameters on the relevant density change were discussed. The designed cellular structures were then fabricated by 3DP, and their mechanical properties were evaluated by compression test.

요약 ⅰ
표목차 ⅱ
그림목차 ⅱ
기호설명 ⅴ
I. 서 론 1
1. 연구 배경 1
2. 연구 목적 3
II. 다공성 구조물의 유한요소해석 4
1. 다공성 박판 구조물의 3차원 프린팅 4
2. 다공성 박판 구조물의 굽힘강성 고찰 7
2.1 강성 고찰을 위한 유한요소해석 7
2.2 굽힘강성 향상을 위한 보강설계 9
2.3 반응표면 분석을 통한 보강구조 최적화 10
2.4 실험적 검증 13
3. 다공성 박판 구조물의 유한요소해석 15
3.1 개인맞춤형 깁스의 유한요소해석 15
3.2 강성향상을 위한 보강구조 선정 17
III. 다공성 박판구조물의 자동설계 20
1. 유한요소 기반 다공성 구조 자동설계 20
1.1 자동설계 알고리즘 개요 20
1.2 구멍 생성 조건 별 형상비교 24
2. 형상적응형 다공성 구조 설계 28
2.1 구멍직경 자동선정 알고리즘 28
2.2 임계세장비 고려 알고리즘 32
2.3 형상 적응형 다공성 구조 생성 33
3. 보강구조물의 자동설계 35
IV. 격자형 경량구조 자동설계 37
1. 유한요소 기반 격자형 경량구조 자동설계 37
1.1 자동설계 알고리즘 개요 37
1.2 격자 생성조건 별 형상비교 39
2. 격자형 경량 구조물의 강도 고찰 41
2.1 격자형 경량 구조물의 압축시험 41
2.2 격자형 경량 구조물의 유한요소해석 46
2.3 격자형 경량 구조물의 제작 49
3. 경량구조물 설계 및 제작 사례 51
3.1 경량 구조물 설계 및 유한요소해석 51
3.2 제작 및 실험 54
V. 결 론 56
참고문헌 58
영문초록(Abstract) 61
감사의 글 63

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