KR100219848B1

KR100219848B1 - 구조물의 강도분석 방법 및 장치

Info

Publication number: KR100219848B1
Application number: KR1019970015128A
Authority: KR
Inventors: 이광남
Original assignee: 이종수; 엘지산전주식회사
Priority date: 1997-04-22
Filing date: 1997-04-22
Publication date: 1999-09-01
Also published as: US6052652A; KR19980077856A

Abstract

본 발명은 구조물의 전체 구성요소 중 구조물 전체의 안전에 많은 영향을 미치는 요소만을 전문가적인 견해에서 선택적으로 그룹핑하고, 그룹핑된 각 구성요소의 스트레스를 새로운 관계함수를 이용하여 보다 간단하면서도 정확하게 구해내는 구조물의 강도분석 기술에 관한 것으로, 이를 구현하기 위하여, 강도를 구하고자 하는 대상 구조물의 중요한 구성 요소를 선정한 후 각 구성 요소에 대해 소정의 단위로드값을 순차적으로 부여하면서 소정의 통상의 스트레스 분석수단을 통해 그들의 스트레스값을 구하고, 이렇게 순차적으로 구해지는 각 스트레스 값으로 매트릭스를 구성하여 저장한 후 상기 스트레스 분석수단의 구동을 중지시킨다. 이후, 상기 매트릭스로 부터 관계함수(Hcs)를 구하여 그 관계함수(Hcs)에 실제로드(AL)값을 곱하는 방식으로 상기 선정된 각 구성 요소의 스트레스값을 구하도록 하였다.

Description

구조물의 강도분석 방법 및 장치

본 발명은 엘리베이터나 자동차, 선박,항공기 등의 기계적인 구조물에서 각 구성요소의 강도를 분석하는 기술에 관한 것으로, 특히 구조물의 전체 구성요소 중 스트레스(stress)가 많이 걸리는 부분만을 전문가적인 견해에서 선택적으로 그룹핑하고, 그룹핑된 각 구성요소의 스트레스를 새로운 관계함수를 이용하여 보다 간단하고 정확하게 구해내는데 적당하도록한 구조물의 강도분석 방법 및 장치에 관한 것이다.

통상적으로, 스트레스 분석방법에는 고전적인 방법(Classical Methods)과 수치해석 방법(Numerical Methods)으로 대별되며, 다시 그 고전적인 방법에는 엄밀해(Exact Solution)와 근사해(Approximate Solution)를 이용하는 방법이 있고, 수치해석 방법에는 에너지를 구하는 방법, 표면해석 방법(Boundary Element Method), 차수해석 방법(Finite Difference Method), 유한요소 방법(Finite Element Method,이하, FEM 이라 약칭함) 등이 있다.

종래 기술에 의한 각종 구조물의 강도 분석방법에 있어서는 구조물에 대해 상기 여러 가지의 스트레스 분석방법 중에서 하나의 분석방법을 적용하여 각각의 스트레스를 구하고, 이를 근거로 스펙에서 요구하는 강도를 결정하였다.

예로써, 도 1은 통상적인 에프이엠 솔버를 이용하여 한 요소의 스트레스를 구하는 과정을 보인 설명도이고, 도 2는 통상적인 에프이엠 솔버를 이용하여 각 요소에 대해 스트레스를 연속적으로 구하는 과정을 보인 설명도이다.

이와 같이, 종래 기술에 의한 구조물의 강도분석 방법에 있어서는 구조물에 대해 상기 여러 가지의 스트레스 방법중에서 하나의 분석 방법을 적용하여 구조물에 실제로 걸리는 로드 즉, 실제 로드(Actual Load)에 따른 각 요소의 스트레스를 구하고, 이렇게 구해진 각각의 스트레스를 근거로 하여 스펙에서 요구하는 구조물의 강도를 분석하였다.

그러나, 구조물에 가해지는 로드들이 변경되거나 구조물의 외형의 크기(X,Y,Z Dimension)가 변경될 경우 그때마다 상기의 분석 방법을 다시 실행하여야 한다.

그러므로, 엘리베이터의 케이지나 자동차, 선박,항공기 등의 구조물 강도를 분석하는데 많은 인력과 자원이 소요되고, 시간이 아주 많이 소요되는 결함이 있었다. 더욱이, 설계단계에서 구조물의 강도를 분석하였다 할지라도 고객의 취향에 따라 임의의 요소를 다른 것으로 교체하는 경우, 모든 요소의 강도를 다시 분석해야 되므로 그에 따라 많은 자원과 시간을 재투입하여야 하는 어려움이 있었다.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 구조물의 전체 구성요소 중 구조물 전체의 안전에 많은 영향을 미치는 요소만을 전문가적인 견해에서 선택적으로 그룹핑하고, 그룹핑된 각 구성요소의 스트레스를 새로운 관계함수를 이용하여 보다 간단하면서도 정확하게 구해내는 구조물의 강도분석 방법 및 장치를 제공함에 있다.

도 1은 통상적인 에프이엠 솔버를 이용하여 한 요소의 스트레스를 구하는 과정을 보인 설명도.

도 2는 통상적인 에프이엠 솔버를 이용하여 연속된 요소의 스트레스를 구하는 과정을 보인 설명도.

도 3은 본 발명 구조물의 강도분석 장치에 대한 일실시 예시 블록도.

도 4는 본 발명에 의한 구조물의 강도분석 방법의 신호 흐름도.

도 5은 본 발명의 적용예를 보인 엘리베이터 케이지의 개략도.

도 6 내지 도 13는 그룹핑된 하나의 요소가 다른 요소에 스트레스를 주는 정도를 백분율로 나타낸 표.

도 14는 본 발명의 관계함수를 이용하여 계산한 각 요소의 스트레스와 종래 기술에 의해 구해진 스트레스의 비교표.

***도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명***

1 : 키이보드2 : CS 연산부

3 : 관계함수 연산부4 : 제어부

5 : 메모리6 : 출력부

P0 : 크로스헤드P1 : 슬링

P2 : 피팅플레이트P3 : 플레임

P4 : 베이스P5 : 피팅빔

P6 : 타이로드P7 : 킥플레이트

본 발명의 제1목적을 달성하기 위한 구조물의 강도분석 방법은 강도를 구하고자 하는 대상 구조물의 중요한 구성 요소를 그룹핑하는 제1과정과; 단위로드 값을 통일된 임의의 값으로 설정하여 순차적으로 부여하고 그때마다 나머지의 단위로드 값을 0으로 부여하고, 이러한 하중조건하에 선정된 각 구성 요소에 대해 통상의 스트레스 분석수단을 통해 구한 스트레스값을 입력하는 제2과정과; 상기 제2과정에서 순차적으로 입력되는 각 스트레스 값으로 매트릭스를 구성하여 저장하는 제3과정과; 상기 제3과정의 매트릭스로 부터 관계함수(Hcs)를 구성하고, 그 관계함수(Hcs)에 실제로드(AL)값을 곱하는 방식으로 상기 선정된 각 구성 요소의 스트레스값을 구하는 제4과정으로 이루어진다.

도 3은 본 발명의 제2목적을 달성하기 위한 구조물의 강도분석 장치의 일실시 예를 보인 블록도로서 이에 도시한 바와 같이, 특정 구조물의 강도분석을 위해 사용자의 각종 입력사항을 받아들이기 위한 키이보드(1)와; 상기 키이보드(1)를 통해 입력되는 일련의 단위로드 값에 따라 각 구성요소의 스트레스 값을 연산하는 CS 연산부(2)와; 상기 CS 연산부(2)에서 출력되는 일련의 스트레스값으로 매트릭스를 구성하는 관계함수 연산부(3)와; 구조물의 구성요소 중 중요 요소를 그룹핑하여 관리하고, 상기 관계함수 연산부(3)에 의해 구성된 매트릭스를 메모리(5)에 저장함과 아울러 그 매트릭스로 부터 구한 관계함수(Hcs)에 실제 로드값을 곱하여 해당 요소의 스트레스(CS)를 산출하는 제어부(4)와; 상기 제어부(4)에서 출력되는 구조물의 강도 분석자료를 외부로 출력하는 데이터 출력부(6)로 구성한 것으로, 이와 같이 구성한 본 발명의 작용 및 효과를 도 4 내지 도 14를 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 본 발명에서는 임의의 구조물에서 관심 부위의 스트레스를 CS(CS: Concerned Stress)로 정의하였다. 여기서, 관심 부위란 구조물의 전체 구성 요소중 스트레스가 많이 걸리는 요소로서 그 구조물 전체의 강도를 결정하는데 중요한 역할을 하는 요소를 의미한다.

따라서, 상기 CS란 구조강도 측면에서 볼 때 중요한 스트레스이고, 실제 상황에서 로드가 변화될 때마다 체크되어야 하는 스트레스에 해당되는데,

본 발명에서는 전문가의 설계학적 견해에서 CS를 그룹핑하여 그 그룹핑된 CS만을 분석하도록 하였다. 왜냐하면, 어떤 구조물에서 관심 부위(요소)의 스트레스(CS)가 충분히 분석되었다면 나머지 요소의 스트레스를 분석한다는 것이 별다른 의미가 없기 때문이다.

도 5는 엘리베이터 케이지의 구조물을 예로한 상기 CS 그룹핑의 일예를 보인 것이다.

즉,

또한, 어떤 구조물에서 실제로드(AL: Actual Load)와 그에 대응하는 스트레스(Stress) 사이의 관계함수를 알 수만 있다면, 굳이 모든 요소의 스트레스를 구하지 않고도 단순히 그 관계함수에 실제로드 값을 곱함으로써 우리가 원하는 CS를 용이하게 구할 수 있을 것이다.

본 발명에서는 상기 관계함수(Related Function)를 Hcs로 정의하였다. 따라서, 상기 CS는 다음의 식으로 표현할 수 있다.

CS = HcsㆍAL

상기 Hcs를 구하는 방법에는 여러 가지가 있을 수 있으나, 여기에서는 단위로드(Unit Load) 값을 임의로 설정하고, 종래의 스트레스 분석방법 중 하나(예: FEM Solver)를 이용하여 구해지는 CS를 매트릭스 형태로 표현한 후 그 매트릭스로 부터 구하는 방법을 예로하였으며, 이때, 도 5에서와 같이 8개의 요소(P0~P7)를 관심 요소로 그룹핑한 경우를 예로하였다.

먼저, 8개의 그룹핑 요소(P0~P7)에 대해 단위로드(ul₀~ul₇)를 설정한다. 이후, 첫 번째 단위로드(ul₀) 값을 1[ton]으로, 나머지의 단위로드(ul₁~ul₇)를 모두 0으로 하여 얻어진 CS를 입력한다. 이때, 관계함수 연산부(3)은 그 스트레스(CS)을 아래와 같이 연산한다.

예로써, 도 5와 같은 각 요소 즉, 크로스 헤드(P0),슬링(P1),피팅플레이트(P2), 플레임(P3),베이스(P4),피팅빔(P5),타이로드(P6),킥플레이트(P7)에 대한 Hcs를 다음과 같이 얻을 수 있다.

Hcs₁= [ 0.260 0.646 .... -0.053 0.295]

Hcs₂= [-0.088 -0.150 .... -0.280 -0.005]

Hcs₃= [ 0.118 -0.065 .... -0.520 -0.430]

Hcs₄= [-0.128 0.005 .... 2.644 -0.081]

Hcs₅= [-0.128 0.013 .... -2.274 0.006]

Hcs₆= [ 0.260 1.119 .... -0.236 0.036]

Hcs₇= [-0.249 -1.799 .... -0.000 0.000]

즉, 제1스텝 :

[단위로드] → [스트레스 분석수단(예:FEM 솔버)] → [CS] → [Hcs]

제2스텝 : 제1스텝의 공식화

이때의 CS값은 Hcs 매트릭스의 첫 번째 칼럼이 된다.

제3스텝 :

제4스텝 : 제3스텝의 공식화

이때의 CS값은 Hcs매트릭스의 j번째 칼럼이 된다.

제5스텝 : 관계함수(hcs) 구성

상기 제5스텝의 매트릭스에서 로우(row) 방향으로의 hcs는 각각의 하중이 걸렸을 때 첫 번째 부위(요소)의 CS가 받는 영향의 정도를 의미하는 것이고, 칼럼방향으로의 hcs는 첫 번째 하중이 걸렸을 때 각각의 CS에 영향을 주는 정도를 의미한다. 즉, hcs_ij는 j번째 로드가 i번째 CS에 스트레스 측면에서 미치는 영향의 정도를 의미한다.

상기 hcs의 매트릭스를 메모리(5)에 저장한다. 이와 같은 과정을 통해 우리가 원하는 Hcs값을 구했으므로 이후에는 CS 연산부(2)(예 : 에프이엠 솔버)를 더 이상 사용하지 않고 실제 로드상황에서 입력된 실제 로드값(AL)에 다음의 식과 같이 상기 Hcs를 곱하여 CS를 간단하게 구할 수 있게 된다. 실제 로드값(AL)은 구조물에 실제로 걸리는 하중이다.

CS = Hcs ㆍ AL

(m×1) (m×n) (m×1)

m=8,n=9

도 6 내지 도 13은 그룹핑된 각 요소(P0~P7)의 설정부위와 각 요소가 다른 요소 즉, 각각의 CS에 스트레스를 주는 정도를 백분율로 나타낸 표이며, 도 14는 CS 연산부(2)로 계산한 각 요소(P0~P7)의 스트레스와 본 발명의 hcs를 이용하여 계산한 각 요소(P0~P7)의 스트레스의 비교표로서 이에 도시한 바와 같이 두 값이 거의 일치함을 알 수 있다.

상기의 설명에서는 엘리베이터의 케이지를 대상으로 CS를 구하고 이로부터 그 케이지 구조물의 강도를 분석하는 것을 예로하여 설명하였으나, 동일한 원리를 적용하여 자동차나 비행기, 선박 등의 구조물에 대한 강도를 분석할 수 있다. 또한, 동일한 원리를 적용하여 기하학적인 3차원 공간에 대한 강도분석도 가능하다.

한편, 상기 구조물의 강도 분석을 하드웨어로 구현한 예를 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

사용자가 키이보드(1)를 통해 해당 구조물의 구성 요소 중 설계학적 견해에서 중요하다고 판단되는 요소(CS)를 설정하면 제어부(4)가 그 중요 요소를 그룹핑하여 이를 메모리(5)에 저장하고, 또한, 실제로드값(AL)을 입력한다.

이후, 사용자가 상기 키이보드(1)를 통해 단위로드 값과 그에 따른 CS값을 입력하면, 관계함수 연산부(3)는 그 스트레스 값을 매트릭스의 칼럼방향으로 순차적으로 배열하는 동작을 소정 횟수만큼 반복 수행하여 단위로드 설정에 따른 하나의 매트릭스가 구성된다.

이때, 상기 제어부(4)는 관계함수 연산부(3)에 의해 구성된 매트릭스(Hcs)를 메모리(5)에 저장한다. 또한, CS 연산부(2)는 관계함수(Hcs)에 실제 로드값(AL)을 곱하여 해당 요소의 스트레스(CS)를 산출하게 된다.

또한, 상기 제어부(4)는 상기와 같은 일련의 과정을 통해 산출된 트레스(CS)를 근거로 각 구성요소(P0~P7)의 강도를 분석하게 되며, 이렇게 구해진 해당 요소의 스트레스(CS)와, 관계함수(Hcs)와, 실제 로드값(AL)과 강도 분석자료를 데이터 출력부(6)를 통해 외부의 프린터나 모니터로 출력된다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 어떤 구조물의 강도를 분석할 때 전문가의 설계학적 견해에서 구조물의 중요한 구성요소를 그룹핑하고, 단위로드와 CS간의 관계함수(Hcs)를 구하며, 이후에는 FEM 솔버를 사용하지 않고 Hcs값을 실제 로드값에 곱하는 방식으로 간단하게 CS를 구함으로써 자원과 시간을 절약할 수 있는 효과가 있다.

Claims

구조물을 이루는 구성 부재 가운데 구조물의 안전에 영향을 주는 부위를 선택적으로 그룹핑하는 제1과정과; 상기 선정된 각 구성 요소에 대해 소정의 단위로드값을 순차적으로 부여하면서 통상의 스트레스 분석수단을 통해 구한 스트레스값을 입력하는 제2과정과; 상기 제2과정에서 입력되는 각 스트레스 값으로 매트릭스를 구성하여 저장하는 제3과정과; 상기 제3과정의 매트릭스로 부터 관계함수(Hcs)를 구하고, 그 관계함수(Hcs)에 실제로드(AL)값을 곱하는 방식으로 상기 선정된 각 구성 요소의 스트레스값을 구하는 제4과정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 구조물의 강도분석 방법.
제1항에 있어서, 제2과정의 스트레스 분석수단은 에프이엠 솔버임을 특징으로 하는 구조물의 강도분석 방법.
제1항에 있어서, 제2과정은 선정된 구성 요소의 단위로드 값을 부여할 때, 하나의 요소에 대한 단위로드 값만 기 설정된 값으로 부여하고 나머지 요소에 대해서는 0으로 부여하는 단계를 소정 횟수 반복하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 구조물의 강도분석 방법.
제1항에 있어서, 제2과정에서 순차적으로 구해지는 각 스트레스 값으로 매트릭스를 구성할 때 각 단계에서의 입력 스트레스 값을 칼럼방향으로 기입하는 것을 특징으로 하는 구조물의 강도분석 방법.
제1항에 있어서, 제1과정의 대상 구조물은 엘리베이터의 케이지임을 특징으로 하는 구조물의 강도분석 방법.
제1항에 있어서, 구조물의 안전에 영향을 주는 부위는 엘리베이터의 케이지에서 크로스 헤드,슬링, 피팅플레이트, 플레임, 베이스,피팅빔,타이로드,킥플레이트로 설정된 것을 특징으로 하는 구조물의 강도분석 방법.
구조물의 강도분석을 위한 사항(CS설정,단위로드와 실제로드 입력)을 입력시키는 키이보드(1)와; 상기 키이보드(1)에서 입력된 일련의 스트레스값으로 매트릭스를 구성하는 관계함수 연산부(3)와; 구조물의 구성요소 중 중요 요소를 그룹핑하여 관리하고, 상기 관계함수 연산부(3)에 의해 구성된 매트릭스(Hcs)를 메모리(5)에 저장하는 제어부(4)와; 관계함수(Hcs)에 실제 로드값을 곱하여 해당 요소의 스트레스(CS)를 산출하는 CS 연산부(2)와; 상기 제어부(4)에서 출력되는 구조물의 강도 분석자료를 외부로 출력하는 데이터 출력부(6)로 구성한 것을 특징으로 하는 구조물의 강도 분석 장치.