Steel wheel has a competitiveness more than aluminium wheel at an economical issue because of material price. However, property of steel has a limitation that natural frequency is lower than aluminium. And steel wheel design at styling point has a tendency to be behind the times compared with aluminium wheel. This paper presents conceptual design process for maximizing first natural frequency by using topology and shape optimization. Firstly, topology optimization was implemented on a design variable domain in the disk, and was performed to have 5 spoke patterns for matching the newest styling. Secondly, shape optimization was applied on each spoke by bead generation. Conceptual model was determined in consultation with Hyundai Motor company with maximizing natural frequency. Based on the conceptual model, a revised model was created through manufacturability concerns. Lastly, the final model produced by the Hyundai Motor company was created by the tendency of wheel tendency from shape optimization. And the final model was validated by traffic noise assessment. The first natural frequency of the final model was improved by 150% compared with initial steel wheel model.
스틸 휠은 알루미늄 휠보다 재료가격측면에서 경쟁력을 갖추고 있다. 그러나 철의 속성 중에 하나인 고유 진동수는 알루미늄에 비해 낮은 한계를 가지고 있다. 이 논문은 위상 및 형상 최적화를 사용하여 첫 번째 고유진동수를 극대화하기 위한 개념 설계과정을 제시한다. 첫 번째로 위상최적화는 디스크의 설계공간으로 설정한 후에 수행되었다. 그리고 최신 휠의 스타일링에 맞추어 5개의 스포크를 갖도록 설정하였다. 두 번째로 형상최적화는 각 스포크에 비드를 생성하는 방법으로 수행하였다. 개념 모델은 첫 번째 고유진동수를 극대화하여 결정된 최적화 설계 중에 현대차와의 협의를 통해 선정이 되었다. 수정된 모델은 개념 모델을 기반으로 제조가능성을 염두해두고 만들어졌다. 현대자동차에 의해 제작된 최종 모델은 형상최적화를 통해 알게 된 디자인의 경향성을 통해 결정이 되었다. 그리고 최종 모델은 소음 평가를 통해 검증되었다. 최종 모델의 첫 번째 고유 진동수는 기존의 휠 모델에 비해 150% 향상된 결과를 보였다.
