Abstract
Minimum weight design of the boom of an excavator with stress and displacement constraints was performed. The procedure of analysis consists of the following steps. The finite element model of the boom was built up by using 227 triangular plate elements each of which has three nodes. And then the finite element program was implemented and its accuracy was verified by comparing its results with those of the commercial structural analysis package-ANSYS 4.4A. For the constraints of stresses and displacements, the design sensitivities of those were computed using direct differentiation method. To verify the reliability of them the results were compared with those of the finite difference method. The optimum design value was obtained by using PLBA(Pshenichny-Lim-Belegundu-Arora)non-linear optimization program which adopts the active set strategy. Using the above results, minimum weight design of an excavator boom showed an effect of 27% reduction in weight.
굴삭기 붐의 변위와 응력 제한조건에 대해 각 판의 두께를 설계변수로 선정하여 자중을 최소화 하였다. 변위와 응력 제한조건식을 구성하기 위해 붐을 판 복합 구조물로 모델링한 후 3절점 삼각형 판요소의 유한요소 해석 프로그램으로 해석하여 상용 구조해석 프로그램인 ANSYS결과와 비교 검토하였다. 유한요소 해석 결과로부터 구성된 변위와 응력 제한조건을 직접 미분법으로 민감도를 해석하고 차분결과를 기준으로 검토하였다. 최종적으로 민감도 해석 프로그램과 최적화 알고리즘을 결합하여 판의 최적설계 프로그램을 구성하고 균일응력의 외팔보 문제로써 해외 정확도를 검증하였다. 굴삭기 붐에 대한 자중 최소화를 수행한 결과, 붐의 반쪽 모델의 초기무게가 453kgf이었고 최적설계 결과가 331kgf로서 약 27%의 자중 감소 효과를 가져왔다.
