시뮬레이션 기반 슬램덩크 : 완벽한 휴대용 농구대 설계

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봄이 다가오고 있고, 모든 방향에서 3점슛을 들어올릴 수 있는 휴대용 농구대가 있으면 좋겠다고 생각했습니다.

아이들을 주시하고 농구공을 튕기면서 천천히 전진하면서, 저는 제 아이들이 “Tiny Tikes” 플라스틱 후프에서 정식 농구 후프 시스템으로 졸업할 때라고 생각했어요. 이런 생각을 하면서 필요한 기능들에 대한 구체적인 아이디어를 고민해보다가 저는 휴대용 농구대를 찾기 시작했습니다.

하지만 이내 저의 모든 요구 사항을 충족시키는 시스템이 존재하지 않는다는 것을 깨달았습니다. 설계가 제 기준의 대부분을 충족시키기 위해서는 3,000달러 이상이 들 것이고, 제가 생각한 가격대로는 기능이 얼마 없을 것입니다.

저는 Altair HyperWorks로 정교한 엔지니어링, 설계 및 최적화 도구들을 활용하여 직접 설계하기로 결정했습니다.

먼저, 제가 원하는 이상적인 기능을 포함하도록 설계 기준을 정의했습니다.

  • 조절 가능한 림 높이 – 다양한 연령과 기술 수준을 수용할 수 있도록 7~10피트까지 쉽고 안전하게 림 높이를 조정할 수 있습니다
  • 놀이성 – 공이 림에 맞고 백보드에서 적절히 떨어져 나가고 질량 분포를 통해 시스템이 안정되고 접지되도록 합니다.
  • 안전 – 백보드 평면에서 바닥 및 구조물까지의 거리는 48×78인치 이어야 하며 무게 중심은 최대한 낮아야하고 가장자리로부터 멀리 떨어져 있어야 합니다.
  • 소형 및 휴대용 – 표준 차고(84인치 높이)에 맞도록 구조물을 접고 다른 위치에 쉽게 보관할 수 있습니다.
  • 내구성 – 8~10년 동안 실외 조건(자외선, 비, 눈 등)을 견딜 수 있습니다.
  • 경제성 – 저렴한 제조, 재료 및 표준 기성 제품을 활용하는 동시에 재료와 비용을 최소화하도록 최적화합니다.
  • 손쉬운 조립 및 제조 – 빠르고 정확하게 조립하여 현재 제조 기법을 활용할 수 있도록 설계할 수 있습니다

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그림 1 – 시작 레이아웃 및 기하학적 제약

이는 시뮬레이션 중심 설계 프로세스의 초기 단계이므로 이 시작 단계에서부터 설계 목표를 모두 달성하려고 욕심내지는 않았습니다. 초기 단계의 초점은 메커니즘, 구조 및 질량 분포에 있었습니다. 비용 및 제조가 고려되었지만 이 시점에서 설계의 주요 요인은 아니었습니다.

이 시스템으로 해결해야 할 몇 가지 문제가 있었습니다. 이 구조는 기하학적, 구조적 및 분석적 세 가지 주요 버킷으로 분류되었습니다. 초기 단계는 여러 가지 기하학적 문제를 해결하고 구조 및 메커니즘의 신중한 기하학적 설계를 통해 많은 설계 목표를 달성했습니다.

여기에는 백보드를 모든 가변 높이에서 지면에 수직으로 유지하는 메커니즘 생성, 표준 차고에 맞도록 작은 크기의 작은 구조로 조립품을 접고, 재생을 위한 48×78인치 “스테이-아웃”영역 유지 림 높이는 플레이어 안전을 향상시킵니다.

직관적인 지오메트리 생성 도구로 Altair Inspire를, 운동 시뮬레이션 기술로 Altair Inspire Motion을 사용하여 운동학을 시각화했습니다. 이들은 신속하게 설계를 조롱하고 동작을 평가하며 문제를 해결하는 완벽한 도구였습니다.

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그림 2 – 10 ‘위치 및 폴더 위치에서의 일반 레이아웃

기계 시스템의 전체 레이아웃이 완성되면, 충분히 뻣뻣한지 확인하고, 사용되는 재료의 양을 최소화하며, 일반적인 마모를 견딜 수 있을 정도로 강하게 만드는 것을 포함하는 구조적 과제에 초점을 맞췄습니다.

이러한 과제는 본질적으로 서로 충돌합니다. 일반적으로 재료가 많을수록 강성이 더 강하고, 재료의 양을 최소화하면 강성이 약해집니다.

핵심은 시스템이 수명주기 동안 발생할 것으로 예상되는 하중을 지원하기 위해 필요한 장소에만 재료를 배치하는 것입니다. 운 좋게도 Altair OptiStruct 토폴로지 최적화가 이 문제를 해결했기 때문에 이 문제를 추측하고 반복할 필요가 없었습니다.

마지막 도전 과제는 분석하는 것이었습니다. 이것은 농구대 조립이 여러 가지 다른 구성으로 다양한 하중을 경험하기 때문에 어려웠습니다.

일반적으로 FEA에서는 한 번에 하나의 구성을 분석하고 최적화합니다. 구조를 올바르게 최적화하려면 토폴로지 최적화 단계에서 모든 구성의 하중 사례를 동시에 고려해야 했습니다.

이를 위해서는 5가지 구성 (7피트, 8피트, 9피트, 10피트, 접힘) 및로드 사례를 평가하기 위해 5 가지 이상의 유한 요소 모델이 필요했습니다. 토폴로지 최적화 중에 5가지 모델을 동시에 분석하여 재료의 최적 배치를 결정했습니다.

Altair OptiStruct의 다중 모델 최적화(MMO)를 사용하여 약간의 노력만으로도 가능했습니다.

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그림 3 – 설계의 현재 상태에 대한 표준보기

다음 단계에는 다양한 구성 요소에 가장 적합한 재료를 찾아 내고 어떤 제조 방법이 가장 적합한 지 파악하고 안정성과 성능을 지속적으로 최적화하는 과정이 포함됩니다.

Altair HyperWorks로 시뮬레이션 기반 설계 방식을 채택하면 설계 프로세스가 가속화되고 더 나은 제품을 생산할 수 있습니다.

이 농구 후프 시스템은 시뮬레이션 기반 설계를 적용하는 방법에 대한 재미있는 예일뿐, 이와 같은 프로세스를 수많은 다른 제품 및 구조에도 적용할 수 있습니다. 시뮬레이션을 사용하여 설계주기를 단축하고 메커니즘 문제를 해결하고 시각화하며 구조 구성 요소를 최적화하는 것은 알테어가 제공 할 수 있는 많은 기능 중 일부에 불과합니다.

이 실험의 세부 내용에 대해 자세히 알고 싶으십니까? 휴대용 농구 후프 시스템을 위한 시뮬레이션 기반 설계 방식을 취하기 위한 초기 단계에 대한 자세한 내용을 보려면 [여기]를 클릭하십시오.

영상 : Altair Inspire Studio 2019.4로 렌더링 한 애니메이션

원문은 여기에서 확인하실 수 있습니다.

감사합니다.
한국알테어

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