Journal Search Engine
Search Advanced Search Adode Reader(link)
Download PDF Export Citaion korean bibliography PMC previewer
ISSN : 1598-6721(Print)
ISSN : 2288-0771(Online)
The Korean Society of Manufacturing Process Engineers Vol.16 No.1 pp.58-62
DOI : https://doi.org/10.14775/ksmpe.2016.16.1.058

A Study on the Structural Design for Safety Improvement of the Winch Mount of an Armored Recovery Vehicle

Jeong-Min Ryu*#, Kyung-Chul Park*, Tae-Woo Kang*
*Defense Agency for Technology and Quality
Corresponding author : jmryu@dtaq.re.kr+82-55-279-4124, +82-55-279-4780
July 16, 2016 October 25, 2016 November 23, 2016

Abstract

In this paper, we studied the structural design for safety improvement of the winch mount of the armored recovery vehicle. From the finite element analysis using the safety factor of the original winch mount, the results determined that the safety factor was very low, namely 1.14 at –15° when towing the maximum force. For
considering the usage and safety, the safety factor needs to increase to between 1.4 and 1.6. To improve the safety factor, a re-design, such as shape modification and strengthening the welded zone, was performed. After the improvement of the structural design, the safety factor of the improved mount was calculated at 1.78, an
increase of about 56.1% from that of the original mount.


구난장갑차 윈치 마운트의 안전율 향상을 위한 구조설계 연구

류 정민*#, 박 경철*, 강 태우*
*국방기술품질원

초록


    Defense Agency for Technology and Quality

    © The Korean Society of Manufacturing Process Engineers. All rights reserved.

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

    1.서 론

    구난장갑차는 기동 불가능한 장비를 구난하거나 정비지원하기 위해 설계된 차량으로 용도 특성상 차체에 장비 권양을 위한 윈치와 인양을 위한 크레 인 그리고 정비지원을 위한 공구류 등이 탑재되어 있다 이 중 윈치는 캡스턴 (Capstan) 타입으로 차체 후방에 탑재되어 다른 전투차량이 임무수행 중 언 덕이나 경사지에서 낙하하여 파손되거나 습지에 빠 져 기동불능상태로 자력 탈출이 불가한 경우 신속 하고 안전하게 끌어 올리는 역할을 한다 이를 위 한 선제조건으로 피구난 대상 장비의 중량보다 동 급 또는 그 이상의 자체 중량을 확보해야 하며 경 사지 견인 궤도 잠김상태 습지 지면상태 등 구난 상황에 따라 높은 견인능력을 필요로 한다.[1]

    현재 운용 중인 구난장갑차의 윈치 조립체는 윈 치와 윈치마운트로 구성되며, 이는 그림 1 에 나타 내었다 윈치는 최대 견인력이 25톤급으로, 그림 2 와 같이 차체 바닥면을 기준으로 최소 –15° 에서 최 대 +15° 내의 범위에서 운용된다 구조적인 관점에 서 윈치는 원활한 운용을 위해 차적으로 마운트에 볼트로 체결되어 있으며 마운트는 윈치 운용 시 발생하는 반발력을 해소시킬 수 있는 지지력을 확 보하기 위해 차체에 접합되어 있다.

    하지만 최대 중량물 견인 시 각 운용 각도별 윈 치 마운트의 안전율을 구조 해석한 결과, 15° 에서 안전율이 1.14 로 다소 낮음을 확인하였다 구조 설 계 시, 일반적인 구조물의 안전율을 1.4~1.6 정도로 설계하는 점으로 미루어 보아 이와 같은 윈치 마운 트는 안전율 개선이 요구되었다 안전율 향상에 대 한 구조개선 검토결과 기존 마운트에 가공 구멍 추가를 통한 형상 변경과 신규 보강대 및 용접 블 록 추가를 통한 용접부 강도개선을 통해 안전율 향 상이 가능할 것으로 판단되었다

    이에 본 연구에서는 윈치 마운트의 형상 변경 및 용접부 강도 개선을 통해 안전율 향상시키고자 하 였다 또한 개선된 윈치 마운트에 대한 구조 해석 및 입증 시험을 통해 구조설계 개선의 타당성 및 유효성을 평가하고자 하였다.

    2.구조 설계 개선 및 구조해석

    2.1.구조 설계 개선

    그림 3의 (a)와 (b)는 개선 전·후의 윈치 마운트 형상을 나타낸다. 그림 3 (a)의 기존 마운트는 사다 리 형상으로, 뒤쪽 부분은 차체 후방측에 접합되며, 앞쪽 부분은 차체 전방측에 접합된다. 그림 3 (b)의 개선된 마운트는 후방측에 추가 구멍 가공을 통해 용접량을 증가시켰으며, 또한 용접 강도 개선을 위 한 신규 보강대 및 용접 블록을 추가하였다.

    2.2.구조해석 모델링 및 시험 조건

    유한요소해석에서 정확한 입력 데이터를 제공하 기 위해 범용유한요소 해석 프로그램인 Nastran FX 를 이용하여 실제 형상과 흡사하게 3차원 적으로 모델링하였다. 해석에 사용된 메쉬 노드(Node) 수와 요소(Element) 수는 각각 62,196개, 186,000개이며, 해석에 사용된 소재는 Al2519-T87 합금으로 원소재 및 용접부에 대한 기계적 물성치는 표 1에 정리하 였다.

    구조해석은 기존 마운트와 개선한 마운트에 대해 윈치의 실제 운용 각도 범위인 –15°, 0°, +15°에서 실시하였으며, 구속조건으로는 바닥면 엣지(Edge)를 고정구속 하였고, 하중조건으로는 윈치 볼트부에 27톤의 하중을 부여하였다.

    3.구조해석 시험 및 결과

    기존 마운트와 개선한 마운트에 대해 -15°, 0°, +15°의 각도에서 최대 견인력이 가해졌을 때의 구 조해석 결과를 표 2에 나타내었다. 이 때 가해지는 최대 응력과 안전율에 대한 정량적인 값은 표 3과 같다.

    2의 최대 견인 시 부하되는 최대 응력 및 안 전율에 대한 정략적 데이터를 살펴보면, 기존 마운 트에 가해지는 응력은 –15°에서 13.04 Kgf/mm2, 0° 에서 9.99 Kgf/mm2, +15°에서 14.94 Kgf/mm2로 Al2519-T87소재의 용접부 항복강도(17Kgf/mm2) 보 다 약간 낮았으며, 특히 운용각도가 +15°일 때는 안전율이 1.14로 산출되어, 구조적으로 매우 취약한 것으로 판단되었다. 따라서 윈치를 +15°의 운용각 도로 지속 운용할 경우 윈치 마운트가 피로누적에 의해 파손될 가능성이 높을 것으로 사료된다.

    이에 반해 개선된 마운트에 가해지는 최대응력은 –15°에서 9.57Kgf/mm2, 0°에서 7.35Kgf/mm2, +15°에 서 8.18Kgf/mm2로 감소하였으며, 최소 안전율 또한 1.78로 증가하였음을 확인할 수 있다. 각 운용각도 별 기존 마운트 대비 개선된 마운트의 안전율 비율 을 계산한 결과, -15°에서는 36.9%, 0°에서는 35.9%, 15°에서는 82.5%가 향상되었으며, 개선 전·후 마운 트의 전 운용범위에서 살펴보면 안전율이 1.14에 서 1.78로 56.1% 향상되었다. 이로부터, 마운트의 용접부 추가 및 형상변경을 통해 구조적 안전성이 개선되었음을 확인할 수 있다.

    3에서는 최대응력이 개선 전·후 마운트 공통 적으로 좌우측 구분 없이 후방 용접부에서 발생한 것을 확인할 수 있다. 이는 구조 및 운용 특성상 마운트 후방측면이 중량물과 가장 가깝게 위치하 여, 해당 부위에 부하가 집중되어 응력집중현상이 발생한 것으로 판단된다. 반면 최대응력 발생 부위 의 좌우측을 구분할 경우, 개선한 마운트에서는 최 대응력이 세 개의 운용각도 모두 후방 좌측 추가 보강대에서 발생한 것을 확인할 수 있다. 용접부 보강을 위한 구멍 추가와 신규 블록 추가 등에 의 해 운용 각도가 변하더라도 동일한 영역에 불균형 적인 고응력이 발생한 것으로 보인다. 특히, 운용각 도가 +15°와 –15°일 때 최대응력 발생부위는 기존 의 마운트와 개선된 마운트간 차이가 거의 없는 것 을 확인할 수 있다. 이로보아 마운트 및 차체와 추 가로 용접된 좌측 보강대간의 접촉면적이 우측 보 강대간의 접촉면적 보다 작은 관계로, 여전히 불균 형적인 응력이 작용하여 개선된 마운트에서도 기존 마운트에서 발생한 최대응력의 위치와 유사하게 나 타난 것으로 보인다.

    3의 결과로부터 각각의 운용 각도에서 마운 트에 발생하는 응력분포를 해석한 결과, 기존 마운 트의 경우 응력이 운용각도가 +15°일 때 마운트 전 방측에, 0°에서는 마운트 전후방측에, -15°에서는 마 운 실제 견인작업 상황에서 마운트 개선사항에 대 한 타당성 및 유효성 평가를 위해 그림 와 같이 실제 입증시험을 실시하였다.Fig. 4

    개선한 윈치 마운트를 탑재한 차량으로 27톤의 하중에 대한 견인력 시험을 수행한 결과, 규격범위 내에서 안정적인 권양작업을 수행할 수 있었고, 윈 치 마운트 구조 설계 개선에 대한 효과성을 확인할 수 있었다.

    4.결 론

    본 연구에서는 구난장갑차 윈치 마운트의 형상 변경 및 용접부 강도개선 등을 통해 구조물 안전율 향상에 대한 설계개선을 실시하고자 하였다. 이를 위해 기존 마운트와 개선된 마운트에 대한 유한요 소해석을 실시하였으며, 구조해석 결과를 바탕으로 입증 시험을 실시함으로써 구조설계 개선의 타당성 을 확인하였다. 이에 대한 본 연구의 결론은 다음 과 같다.

    • 1) 용접부의 항복강도 대비 다소 낮게 산출된 안전 율을 향상시키기 위해, 기존 윈치마운트에 구멍 추 가(2개), 신규 보강대 및 용접 블록을 추가하는 구 조 설계 개선을 실시하였다.

    • 2) 윈치 운용범위(±15°) 내에서, 구조해석을 실시한 결과 기존 마운트의 안전율은 최소 1.14이며, 개선 마운트의 안전율은 최소 1.78로 확인되었다. 이로부 터 구조설계 개선을 통해 안전율이 56.1% 증가하였 음을 확인하였다.

    • 3) 구조설계 개선에 대한 타당성을 확인하기 위해, 입증 시험을 실시하였으며 시험 결과 안정적인 권 양작업이 수행된 것으로 보아 적합한 구조설계 개 선이 이루어진 것으로 판단된다.

    후 기

    “이 논문은 국방기술품질원의 지원을 받아 작성하였 음. 청렴은 선택이 아닌 필수입니다.”

    Figure

    KSMPE-16-58_F1.gif
    Schematics of winch assembly
    KSMPE-16-58_F2.gif
    The operation range of the winch
    KSMPE-16-58_F3.gif
    Shapes of studied mount
    KSMPE-16-58_F4.gif
    Winch operation test

    Table

    Material property of the mount
    The maximum stresses and the safety factors of the winch mounts
    The stress distribution of the winch mounts

    Reference

    1. Jung JW , Jung UH , Kim CS , Yu YS , Park KC , Park KC (2013) “Structural Integrity Evaluation for Crane Bracket of Armored Recovery Vehicle” , The Journal of the Korean Institute of Military Science and Technology, Vol.16 (5) ; pp.653-658
    2. Hyojin Yoon (2015) “A Study on the Failure of Reducer for the Multi-Smoke Projectile Launching System by Impact Load” , The Journal of the Korean Society of Mechanical Engineers, Vol.17 (5) ; pp.1085-1090