개요

빅스스프링트리의 VR 시뮬레이터의 구조안전성을 평가하기 위한 선형 구조해석 보고서입니다. VR 시뮬레이터의 구조안전성을 평가하기 위해 상용 FEM(유한요소법) 툴인 Ansys Mechanical 2023 R2를 사용했습니다. VR 시뮬레이터는 유기시설로서 해석 구조물의 탑승 인원은 총 한 명으로, 구조물에 가해지는 하중은 탑승객 체중에 의한 정적하중 및 구동물의 동적하중의 합으로 계산됩니다. 구조물은 프레임, 플레이트 및 샤프트로 조립되었으며 프레임과 플레이트의 재질은 구조용 탄소강 SS275, 샤프트의 재질은 S45C입니다. 유한요소법을 이용하여 해석 구조물 각각의 물성치 및 계산된 하중을 적용하여 구조해석을 수행했습니다. 응력 수준 및 변위량을 산출하여 VR 시뮬레이터의 구조안전성을 평가한 프로젝트입니다.

Pre-Processing

유한요소모델 작성을 위한 3D 모델은 제공된 도면을 기반으로 작성하였으며 해석 품질 향상을 위해 모델 간소화 작업을 선행하였습니다. 모델 간소화 작업은 조밀한 격자를 생성함으로써 정확한 해석 결과를 산출하기 위한 모델 전처리 작업입니다. 시뮬레이터의 실제 동작을 고려하여 하중으로부터 직접적인 영향을 받는 부품 위주로 모델링 하였으며, 모터와 같이 하중에 큰 영향을 받지 않는 부차적인 부품들은 해석에서 제외하였습니다. 격자는 4 mm 사면체 격자를 사용하여 총 절점 수 1,938,338개 총 요소 수 772,541개의 유한요소모델을 작성하였습니다. 생성된 유한요소모델에 하중조건 및 하부 구속조건을 주어 구조해석을 진행하였습니다.
 

Solving

첫 번째 케이스는 정하중(이용객 하중+구동부 고정하중)에 대한 구조해석이며, 두 번째 케이스는 정하중+구동하중에 동적계수가 곱해진 설계하중에 대한 구조해석입니다. 이용객의 하중은 1000 N 이며, VR 시뮬레이터에 설치되는 의자 및 작동장치의 무게가 약 20 kg 이므로 이용객을 제외한 움직이는 부분의 고정하중은 200 N 으로 계산하였습니다. 

두 번째 케이스는 설계하중에 대한 구조해석으로 설계하중은 정하중에 구동하중을 더한 뒤, 동적계수 1.3을 곱한 값으로 계산됩니다. 그 값은 1669.2 N이며, -Z, -Y 방향으로 10도 기울인 방향으로 인가하였습니다.

Post-Processing

각 부품별 평가강도는 정하중일 경우 안전계수가 적용되어 계산되며, 구동하중이 적용된 경우에는 피로한도로 규정합니다. 허용응력은 III. 설계검사기준에 따라 위치별 안전계수를 선정하여 평가강도/안전계수로 계산하였습니다. 그 결과 모든 부품이 안전하다고 판단할 수 있습니다.