유한요소해석을 통한 소형 타워야더 타워부의 최적 설계

주홍식1*, 오재헌1

(1국립산림과학원 산림기술경영연구소)

Optimised Design of Small Scaled Tower Yarder Using FEM

Hong-Sik Ju1*, Jae-Heun Oh1

(1Forest Technology and Management Research Center, National Institute of Forest Science)

요약: 최근 중대재해처벌법과 같은 산림작업 중 안전에 대한 관심이 크게 증대되고 있다. 또한 산림환경피해를 감소시키는 친환경적인 작업 방향으로 연구가 지속되고 있다. 가선집재를 통한 목재수확 방법은 차량계 임업기계를 활용하여 목재수확을 하는 것보다 상대적으로 친환경적인 작업 방법으로 알려져있다. 작업 중 작업자의 작업 안전 확보 및 원활한 작업 계획 설계를 위하여 가선집재 시스템을 기하학적으로 모델링하고 스카이라인과 가이라인에 걸리는 하중을 수치 해석적으로 계산하여 의사결정 지원과 관련된 연구가 지속적으로 수행되어져 오고 있다. 하지만 작업 안정성과 장비 중량 감소 등의 다양한 가선집재 장비 설계에 대한 연구는 아직 미비한 상황이다. 본 연구는 상용 유한요소해석(FEM) 소프트웨어를 활용하여 소형 타워야더의 구조적 안정성과 중량 최적화를 동시에 달성하기 위한 타워부 두께 최적 설계 방안을 제안한다. 연구의 주요 목적은 작업 중 발생하는 다양한 하중 조건 하에서 타워부의 안전성을 보장하면서 과도한 중량 설계를 방지하는 것이다. 이를 위해 타워야더의 구조 해석을 위한 실험 환경을 구축하고, 하중 계측 및 해석 경계조건을 정밀하게 설정하였다. 해석 결과, ATOS 80 소재와 타워 상단부 두께 6mm, 하단부 두께 3.2mm의 조합이 기존 SS41 소재 대비 약 10.4%의 중량 감소를 달성하고 구조적 안정성을 확보할 수 있음을 확인하였다. 본 연구는 타워야더 설계 시 구조적 효율성과 경량화를 동시에 고려한 설계 방안을 제시함으로써, 안전하고 효율적인 집재 작업 환경 구축에 기여할 수 있다.

Abstract: Recently, there has been a significant increase in focus on safety while working in the forest, including the Serious Accidents  Punishment Act. In addition, research continues in the direction of eco-friendly operations that reduce forest damage. This method of timber harvesting is considered to be more environmentally friendly than timber harvesting using vehicle-based forestry machinery. In order to ensure the safety of workers during work and to design a smooth work plan, research related to decision support has been continuously conducted by geometrically modeling the cable yarding system and numerically calculating the loads on the skyline and guylines. However, there is still a lack of research on the design of various cable yarding equipment, such as work stability and weight reduction. This study proposes an optimal tower section thickness design plan to achieve both structural stability and weight optimization of a compact tower yarder using commercially available Finite Element Method (FEM)analysis software. The main objective of the study is to avoid overweight design while ensuring the safety of the tower section under various loading conditions encountered during operation. To this end, an experimental environment for the structural analysis of the tower yarder was established, and the load measurement and analysis boundary conditions were precisely set. The analysis showed that the combination of ATOS 80 material with a thickness of 6 mm at the top of the tower and 3.2 mm at the bottom could achieve a weight reduction of about 10.4 percent compared to the existing SS41 material and ensure structural stability. This study suggests a design approach that considers both structural efficiency and light weight in the design of tower yarders, which can contribute to building a safe and efficient assembly work environment.

Keywords: Forest operations, Small Scaled Tower Yarder, FEM, Static Structure, Optimization

사사: 본 연구는 목재자원의 고부가가치 첨단화 기술개발사업(2023491A00-2325-AA02)에 의해 수행되었다.