최근 자동차 엔진의 개발에 있어 주요 과제는 배기 가스에 의한 환경 오염 문제이며, 이러한 당면 과제를 해결하기 위한 가장 직접적이고도 효과적인 방안으로 엔진 성능의 향상을 들 수 있다. 엔진 성능 향상에 의한 완전 연소의 실현은 배기 가스의 감소라는 결과를 가져오기 때문이다. 이러한 엔진 성능을 위한 개발 과정에서 밸브 작동계의 관성 질량을 감소시키는 개발이 중요하게 되었고, 그 중에도 특히 엔진 밸브는 직접 구동되는 부품으로서 엔진 성능에 큰 영향을 주기 때문에 이러한 엔진 밸브의 중량을 감소시키는 것은 상당히 중요하다. 하지만 이러한 중량 감소는 결국 엔진 밸브가 받는 ...
최근 자동차 엔진의 개발에 있어 주요 과제는 배기 가스에 의한 환경 오염 문제이며, 이러한 당면 과제를 해결하기 위한 가장 직접적이고도 효과적인 방안으로 엔진 성능의 향상을 들 수 있다. 엔진 성능 향상에 의한 완전 연소의 실현은 배기 가스의 감소라는 결과를 가져오기 때문이다. 이러한 엔진 성능을 위한 개발 과정에서 밸브 작동계의 관성 질량을 감소시키는 개발이 중요하게 되었고, 그 중에도 특히 엔진 밸브는 직접 구동되는 부품으로서 엔진 성능에 큰 영향을 주기 때문에 이러한 엔진 밸브의 중량을 감소시키는 것은 상당히 중요하다. 하지만 이러한 중량 감소는 결국 엔진 밸브가 받는 응력을 증가시키게 되고, 엔진 밸브의 반복적 운동으로 결국 밸브 파손의 위험이 커질 수 밖에 없다. 따라서 엔진 내 고온 고압에 의해 밸브에 발생하는 응력을 견딜 수 있으면서 최대한 가벼운 제품을 만드는 것이 엔진 밸브에 있어서 주된 개발 목적이 되었다.
이에 본 연구에서는 시뮬레이션을 이용하여 엔진 밸브가 받는 응력을 계산하고, 이를 감소하기 위한 형상 최적화를 수행하였다. 먼저 3차원 CAD 프로그램인 CATIA를 이용하여 엔진 밸브를 모델링하고, 유한 요소 해석을 통하여 엔진 밸브의 응력을 계산하였으며, 이 때 발생하는 최대 응력을 감소시키기 위하여 최적화를 수행하였다. 응력 해석 결과, 엔진 밸브에서 파손에 가장 취약한 부분은 목부(fillet)임이 확인되었다. 따라서 최적화를 위한 설계조건은 엔진 밸브가 목부에서 받는 최대 응력을 최소화 하는 것이며, 이 때 엔진 밸브의 부피는 초기 부피보다 크지 않도록 최적설계 문제를 정식화 하였다.
이러한 과정을 바탕으로 최적설계를 수행한 결과, 목부 및 헤드부의 형상을 변경함으로써 목부에 발생하는 최대 응력을 약 49.1% 감소시킬 수 있었고, 이 때 엔진 밸브의 부피는 거의 변화가 없었다. 이 실험 결과를 바탕으로 향후 엔진 밸브의 제품 설계에 보다 최적화된 엔진 밸브의 형상을 제시할 수 있을 것으로 기대한다.
최근 자동차 엔진의 개발에 있어 주요 과제는 배기 가스에 의한 환경 오염 문제이며, 이러한 당면 과제를 해결하기 위한 가장 직접적이고도 효과적인 방안으로 엔진 성능의 향상을 들 수 있다. 엔진 성능 향상에 의한 완전 연소의 실현은 배기 가스의 감소라는 결과를 가져오기 때문이다. 이러한 엔진 성능을 위한 개발 과정에서 밸브 작동계의 관성 질량을 감소시키는 개발이 중요하게 되었고, 그 중에도 특히 엔진 밸브는 직접 구동되는 부품으로서 엔진 성능에 큰 영향을 주기 때문에 이러한 엔진 밸브의 중량을 감소시키는 것은 상당히 중요하다. 하지만 이러한 중량 감소는 결국 엔진 밸브가 받는 응력을 증가시키게 되고, 엔진 밸브의 반복적 운동으로 결국 밸브 파손의 위험이 커질 수 밖에 없다. 따라서 엔진 내 고온 고압에 의해 밸브에 발생하는 응력을 견딜 수 있으면서 최대한 가벼운 제품을 만드는 것이 엔진 밸브에 있어서 주된 개발 목적이 되었다.
이에 본 연구에서는 시뮬레이션을 이용하여 엔진 밸브가 받는 응력을 계산하고, 이를 감소하기 위한 형상 최적화를 수행하였다. 먼저 3차원 CAD 프로그램인 CATIA를 이용하여 엔진 밸브를 모델링하고, 유한 요소 해석을 통하여 엔진 밸브의 응력을 계산하였으며, 이 때 발생하는 최대 응력을 감소시키기 위하여 최적화를 수행하였다. 응력 해석 결과, 엔진 밸브에서 파손에 가장 취약한 부분은 목부(fillet)임이 확인되었다. 따라서 최적화를 위한 설계조건은 엔진 밸브가 목부에서 받는 최대 응력을 최소화 하는 것이며, 이 때 엔진 밸브의 부피는 초기 부피보다 크지 않도록 최적설계 문제를 정식화 하였다.
이러한 과정을 바탕으로 최적설계를 수행한 결과, 목부 및 헤드부의 형상을 변경함으로써 목부에 발생하는 최대 응력을 약 49.1% 감소시킬 수 있었고, 이 때 엔진 밸브의 부피는 거의 변화가 없었다. 이 실험 결과를 바탕으로 향후 엔진 밸브의 제품 설계에 보다 최적화된 엔진 밸브의 형상을 제시할 수 있을 것으로 기대한다.
The engine valves are important parts to increase the engine performance due to reducing the mass. In this paper, a vehicle engine valve was optimally designed to decrease the maximum stress without increasing the volume. The neck angle and radius and bowl angle and radius were selected as design va...
The engine valves are important parts to increase the engine performance due to reducing the mass. In this paper, a vehicle engine valve was optimally designed to decrease the maximum stress without increasing the volume. The neck angle and radius and bowl angle and radius were selected as design variables. The CAD model of the engine valve was built using CATIA V5, the finite element model was generated using HyperMesh, and the maximum stress was evaluated using Abaqus.
In order to automatically change the shape of the engine valve and evaluate the maximum stress as design variables changed, the HyperMesh and Abaqus were integrated to PIAnO which is one of commercial PIDO tools developed by FRAMAX INC., Korea. The optimization technique employed in this study was PQRSM(Progressive Quadratic Response Surface Method), a kind of regression-based sequential approximate optimizer, provided by PIAnO. With 91 calls of Abaqus, I successfully obtained the optimal shape of the engine valve that reduced the maximum stress by 49.1% without increasing the volume.
The engine valves are important parts to increase the engine performance due to reducing the mass. In this paper, a vehicle engine valve was optimally designed to decrease the maximum stress without increasing the volume. The neck angle and radius and bowl angle and radius were selected as design variables. The CAD model of the engine valve was built using CATIA V5, the finite element model was generated using HyperMesh, and the maximum stress was evaluated using Abaqus.
In order to automatically change the shape of the engine valve and evaluate the maximum stress as design variables changed, the HyperMesh and Abaqus were integrated to PIAnO which is one of commercial PIDO tools developed by FRAMAX INC., Korea. The optimization technique employed in this study was PQRSM(Progressive Quadratic Response Surface Method), a kind of regression-based sequential approximate optimizer, provided by PIAnO. With 91 calls of Abaqus, I successfully obtained the optimal shape of the engine valve that reduced the maximum stress by 49.1% without increasing the volume.
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