공학설계 | 기본설계(1): 시제품 레이아웃과 공학해석

1. 공학설계

2. 제품기획

• 2.1. 요구사항목록

3. 개념설계

• 3.1. 설계문제와 기능구조도
• 3.2. 동작원리와 설계대안

4. 기본설계

• 4.1. 시제품 레이아웃과 공학해석 ★
• 4.2. 견실최적설계
  • 4.2.1. 문제 정의
  • 4.2.2. 제1차 실험 설계 및 수행
  • 4.2.3. 민감도 분석

5. 상세설계

• 5.1. 제작도면과 자재소요서

 

1. 기본설계

기본설계

   개념설계 단계에서 최적 설계대안을 선정했다면 기본설계로 들어간다. 기본설계는 시제품 레이아웃을 작성하고 공학해석을 거쳐 성능을 검증한다. 이와 더불어 실패 모드를 상정하여 레이아웃을 보완하고 시제품을 제작한 뒤 견실최적설계를 수행한다. 기본설계는 최적 설계대안을 기반으로 다음과 같은 절차를 거친다.

●  시제품 레이아웃 작성
●  시제품 레이아웃을 기반으로 공학해석 검증
●  실패모드 설정 후 시제품 레이아웃 보완
●  시제품 제작
●  견실최적설계 수행

 

2. 시제품 레이아웃 작성

시제품 레이아웃 작성

   최적 설계대안을 시제품(prototype)으로 만들 수 있을 정도로 구체적인 레이아웃을 작성한다. 최적 설계대안을 기반으로 시스템의 구조를 생각하면서 시스템 프레임 초기 형상을 3D CAD로 나타낸다. 이 프레임에 구동부와 센서 등의 부속품을 하나씩 부착하면서 프레임의 형상과 크기를 조금씩 수정한다. 시스템 프레임에 부속품을 어떤 식으로 체결할지 조립 과정을 생각하면서 필요한 부속품을 추가한다. 이 과정에서 각종 부품의 형상과 크기가 결정되어야 하며, 외부에서 구매해야 하는 부품이 있다면 구매처와 모델 또한 결정해야 한다.
 

3. 공학해석 검증

   완성된 시제품 레이아웃이 요구사항목록을 만족할지 공학해석을 수행하여 검증한다. 먼저 요구사항목록 중 핵심적인 사항을 추려 나열한다. 힘과 모멘트에 대한 정역학 분석, 응력과 변형량 예측을 위한 유한요소해석, 진동모드 해석을 통한 고유진동수 분석 등 시제품 래이아웃 검증을 위해 필요하다고 판단하는 공학해석을 적용하여 요구사항목록을 충족할 수 있을지 확인한다. 검증 결과 현재 레이아웃이 요구사항목록을 만족하기에 충분하지 못하다면 레이아웃을 수정한다.
 

4. 실패모드 설정

실패모드 설정

   시제품 레이아웃에 대한 공학적 검증을 마쳤다면 시제품을 제작하기에 앞서 시제품이 실제 사용환경에서 요구기능을 수행하지 못할 가능성을 생각해본다. 앞서 수행한 공학해석은 이상적인 사용환경을 가정하였기 때문에 실제 사용환경에서의 성능과 차이가 있다. 사용자는 이상적이지 않은 다양한 환경에서 해당 시스템을 사용할 것이므로 이에 대한 대비와 보완이 필요하다. 먼저 개념설계 단계에서 작성했던 세부 기능구조도에서 중요한 기능 블록만을 가져와 나열한다. 각 기능별로 실제 사용환경에서 시제품이 해당 기능을 제대로 내지 못하는 실패모드(failure mode)를 설정한다. 설계 구성원들과 브레인스토밍을 하여 실패모드가 발생할 상황과 이를 보완하기 위한 해결책을 기술한다. 이렇게 도출된 실패모드와 이에 대한 해결책은 시제품 레이아웃에 반영하여 완성도를 높인다.

 

 

 

 

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참고문헌
- 김종원. (2008). 공학설계: 창의적 신제품 개발방법론. 문운당.