선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 그러나 파이프 벤드제품이 주로 높은 온도와 압력을 가지는 유체의 수송에 사용되어짐을 감안하여 공학적설계요건은 최대 두께 감소율을 12.5% 이내로 제한하고 있다(5)따라서 기존의 고주파를 이용한 파이프 벤딩 공정은 벤딩 곡률이 3.5D(outer disimeter of pipe) 이상에서만 행하여졌으나 본 연구에서는 최소 2.0D의 벤딩 곡률을 가지는 파이프 벤딩 제품에 대하여 생산성 향상과 최대 두께 감소율이 12.5%이하로 하는 설계조건을 만족하는 고주파 유도가열을 이용한 벤딩 공정의 해석 및 공정설계를 목표로 한다.
- 특히, 냉각시간에 따라 파이프 벤드의 금속학적 성질이 크게 좌우된다. 따라서 냉각시간이 파이프 두께 감소에 미치는 영향을 파악하였다. 해석조건은 Table 2와 Table 3의 D조건과 같으며 냉각시간은 벤딩 직후 파이프가 20℃까지 감소하는데 걸리는 시간으로 정의하였다.
- 본 연구에서는 생산성 향상과 설계조건을 만족하는 최적의 파이프 벤딩 공정설계를 위해 먼저 파이프 벤딩 메커니즘을 이론적으로 규명하여 각 공정 변수들이 공정에 미치는 영향을 평가하였다. 또한 벤딩곡률 2D에 대한 유한요소 해석을 통해 각각의 공정변수, 반력모멘트 및 온도구배가 두께감소에 미치는 영향을 파악하였다.
- 본 연구에서는 설계조건을 만족하고 작은 곡률 반경을 가지는 파이프 벤드제품의 제작을 위한 고주파유도가열을 이용한 파이프 벤딩 공정설계를 위해 먼저 파이프 벤딩 메커니즘을 이론적으로 규명하여 각 공정 변수들이 공정에 미치는 영향을 평가하였다. 또한 유한요소 해석을 통해 각각의 공정변수, 반력모멘트 및 온도구배가 두께감소에 미치는 영향을 파악하였다.
가설 설정
- 먼저 파이프 제원 및 공정변수에 따른 적절한 반력 모멘트를 구하기 위해 파이프 재질은 강완전소성체이고, 파이프 단면의 형상변화는 없다는 가정하에서 반력 모멘트 계산식을 유도하였다(식 (1)). 또한 파이프 곡률반경 2.
제안 방법
- 고주파유도 가열장치에 의한 국부 가열효과는 온도 경계조건으로 처리하였다. 즉, 시간에 따른 가열 온도를 요소 절점에 입력함으로서 파이프의 이송속도에 대한 파이프의 온도변화를 모델링하였다.
- 5는 파이프 이송속도가 30mm/min일 때의한 절점의 경계조건에 의한 온도변화를 나타낸다. 그림에 나타낸 바와 같이 파이프온도 변화를 크게 변형영역인 국부유도가열영역과 유도가열영역에서의 전도효과에 의한 예비가열 영역 그리고 변형완료 후 가열링에 장치된 냉각수에 의한 냉각영역으로 나뉘어지게 경계조건을 부여하였다.
- 가열폭이 넓으면 넥킹, 주름 및 진원도불량이 나타나기 때문에 일반적으로 가열폭은 파이프 두께의 2배까지로 제한하고 있음(9)을 감안하면 최적의 가열폭은 20mm임을 알 수 있다. 다음으로 파이프의 이송속도가 파이프의 두께 감소에 미치는 영향을 평가하였다. 일반적으로 파이프 이송속도에 따라 고주파 유도가열 시간이 결정됨으로 온도의 영향까지 병행하여 고려해야하나 본 연구에서는 온도는 일정하다는 가정하에서 Table 2와 Table 3의 C조건으로 해석을 수행하여 이송속도가 두께 감소율에 미치는 영향을 평가하였다.
- 먼저 가열온도에 따른 벤딩 특성을 평가하였다. 동일한 파이프 제원, 파이프이송속도 및 냉각속도에 대하여 최대 가열온도만 변화시켜 각각의 두께 감소율의 변화를 해석을 통하여 평가하였다. Table 2 및 Table 3의 A에 해석조건을 나타낸다.
- 따라서 유한요소 해석을 통하여 반력모멘트 부가 시 중립축의 위치 변화와 두께감소율의 변화를 평가하였다. 해석조건은 Table 2와 Table 3의 E조건과 같다.
- 있다. 따라서 유한요소 해석을 통하여 온도구배 부여 시 두께감소율의 변화를 평가하였다. 적용된 해석조건은 Table 2와 Table 3의 F조건과 같다.
- 영향을 평가하였다. 또한 벤딩곡률 2D에 대한 유한요소 해석을 통해 각각의 공정변수, 반력모멘트 및 온도구배가 두께감소에 미치는 영향을 파악하였다. 이론해석 및 유한요소 해석의 타당성 검증을 위해 동일한 조건하에서 파이프 벤딩 실험을 수행하였다.
- 미치는 영향을 평가하였다. 또한 유한요소 해석을 통해 각각의 공정변수, 반력모멘트 및 온도구배가 두께감소에 미치는 영향을 파악하였다. 이론 해석 및 유한요소 해석의 타당성 검증을 위해 동일한 조건하에서 파이프 벤딩 실험을 수행하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 각각의 공정변수들은 실제 현장데이터로 활용 가능한 범위로 선정하였다. 먼저 가열온도에 따른 벤딩 특성을 평가하였다. 동일한 파이프 제원, 파이프이송속도 및 냉각속도에 대하여 최대 가열온도만 변화시켜 각각의 두께 감소율의 변화를 해석을 통하여 평가하였다.
- 먼저 유한요소 해석을 통하여 반력모멘트가 부가되지 않은 경우에 대하여 벤딩각도 90° 까지 벤딩이 진행됨에 따라 중립축의 변화를 평가하였다. 해석 결과 벤딩이 진행됨에 따라 중립축은 약 89~91° 까지 거의 변화가 없음을 알 수가 있었다.
- 12는 렌딩실험에 사용된 장비를 나타낸다. 반력모멘트 부가량은 유한요소 해석에서 설계조건을 만족하는 값인 28, 898 Kgr・m을 부가하여 반력모멘트를 부가하지 않은 경우와 비교하였다.
- 해석조건은 Table 2와 Table 3의 E조건과 같다. 반력모멘트의 부가량은 이론 해석을 근거로 하여 계산하였다.
- 유도가열 온도 분포 및 이송속도, 파이프의 제원, 벤딩 곡률 등의 공정 변수에 따른 두께 감소의 영향을 평가하기 위한 유한요소 해석 모델을 설정하였다. 본 연구의 대상인 파이프 재료(SPPS 42)의 경우 열간에서의 유동응력과 상온에서의 유동응력이 10배 이상 차이가 나고 변형은 가열부에서만 발생하기 때문에 국부가열 영역 외인 상온의 파이프영역은 강체의 역할을 하게된다.
- 유한요소 해석으로부터 평가된 반력모멘트에 따른 두께 감소율의 변화를 검증하기 위해 파이프 벤딩 실험을 수행하였다. 실험에 사용된 소재 및 파이프 제원은 유한요소해석과 동일하게 하였다.
- 벤딩 암의 회전 중심인 피봇은 강체로 모델링하였다. 유한요소 해석은 원주방향에 대해서 대칭이므로 해석의 시간을 단축하기 위해 1/2단면만 모델링하여 해석을 수행하였다. 또한 유한요소 격자는 변형부(유도 가열 영역)에 세분화하여 계산의 정확성을 높게 하였다.
- 유한요소 해석을 통하여 각각의 공정 변수에 따른 벤딩 특성을 평가하였다. Table 1은 유한요소 해석에 적용된 파이프 제원을 나타내는 것으로 검증을 위해 실제 현장에서 생산에 적용되는 파이프 제원을 사용하였다.
- 또한 유한요소 해석을 통해 각각의 공정변수, 반력모멘트 및 온도구배가 두께감소에 미치는 영향을 파악하였다. 이론 해석 및 유한요소 해석의 타당성 검증을 위해 동일한 조건하에서 파이프 벤딩 실험을 수행하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 또한 벤딩곡률 2D에 대한 유한요소 해석을 통해 각각의 공정변수, 반력모멘트 및 온도구배가 두께감소에 미치는 영향을 파악하였다. 이론해석 및 유한요소 해석의 타당성 검증을 위해 동일한 조건하에서 파이프 벤딩 실험을 수행하였다.
- 다음으로 파이프의 이송속도가 파이프의 두께 감소에 미치는 영향을 평가하였다. 일반적으로 파이프 이송속도에 따라 고주파 유도가열 시간이 결정됨으로 온도의 영향까지 병행하여 고려해야하나 본 연구에서는 온도는 일정하다는 가정하에서 Table 2와 Table 3의 C조건으로 해석을 수행하여 이송속도가 두께 감소율에 미치는 영향을 평가하였다.
- 처리하였다. 즉, 시간에 따른 가열 온도를 요소 절점에 입력함으로서 파이프의 이송속도에 대한 파이프의 온도변화를 모델링하였다. Fig.
- 파이프 재질에 대하여 온도에 따른 변형 특성을 평가하기 위해 25ton 동적 재료 시험기(MTS)를 이용하여 고온 인장실험을 수행하였다. 실험에 사용된 재료는 SPPS 42이며 KS규격 B0801의 관형 전용규격인 12C 시험편을 사용하여 실험을 수행하였다.
- 또한 유한요소 격자는 변형부(유도 가열 영역)에 세분화하여 계산의 정확성을 높게 하였다. 해석은 벤딩 각도 90° 만큼 수행하여 벤딩각도에 따른 벤딩특성, 각각의 공정변수에 따른 벤딩특성을 평가하였으며 반력 모멘트와 온도구배가 두께 감소율에 미치는 영향을 평가하였다. Fig.
대상 데이터
- 본 연구의 대상인 파이프 재료(SPPS 42)의 경우 열간에서의 유동응력과 상온에서의 유동응력이 10배 이상 차이가 나고 변형은 가열부에서만 발생하기 때문에 국부가열 영역 외인 상온의 파이프영역은 강체의 역할을 하게된다. 벤딩 암의 회전 중심인 피봇은 강체로 모델링하였다. 유한요소 해석은 원주방향에 대해서 대칭이므로 해석의 시간을 단축하기 위해 1/2단면만 모델링하여 해석을 수행하였다.
- 실험에 사용된 재료는 SPPS 42이며 KS규격 B0801의 관형 전용규격인 12C 시험편을 사용하여 실험을 수행하였다. 시험 온도는 상온과 일반적으로 고주파 유도가열 영역인 800℃에서, 950℃ 까지의 4가지 경우의 온도에 대하여 실험을 수행하였으며 파이프 벤딩공정에서 최대 파이프 이송속도인 40 mm/min으로부터 변형률 속도는 0.004 s-1, 0.012 r1, 0.020세 가지 경우에 대하여 실험을 수행하였다.
- 인장실험을 수행하였다. 실험에 사용된 재료는 SPPS 42이며 KS규격 B0801의 관형 전용규격인 12C 시험편을 사용하여 실험을 수행하였다. 시험 온도는 상온과 일반적으로 고주파 유도가열 영역인 800℃에서, 950℃ 까지의 4가지 경우의 온도에 대하여 실험을 수행하였으며 파이프 벤딩공정에서 최대 파이프 이송속도인 40 mm/min으로부터 변형률 속도는 0.
- 또한 실험 결과로부터 상온에서의 유동응력이 800℃이상의 고온에서의 유동응력에 비해 약 10배 이상 크게 나타남을 알 수 있었다. 실험으로부터 구한 온도 및 변형률 속도에 따른 변형률과 응력의 데이터를 반력모멘트 계산 및 유한요소해석의 물성치로 사용하였다.
데이터처리
- 동일한 파이프 제원 및 가열온도, 파이프 이송속도에 대하여 가열폭만 Table 3의 B조건으로 변화시켜 각각의 두께 감소율의 변화를 해석을 통하여 평가하였다. Fig.
성능/효과
- (1) 파이프 두께 감소에 대한 설계조건을 만족하기 위해서는 반력모멘트를 부가하여 파이프 변형 단면에서의 중립축을 벤딩 외측으로 이동, 즉 변형시 인장응력을 받는 영역을 압축력을 가함으로서 줄이는 방법 또는 가열영역에 온도구배를 부여함으로써 가능하다.
- (2) 유한요소 해석을 통해 벤딩각도에 따라 중립축의 위치가 89~91° 로 변화가 없으므로 벤딩 각도의 변화에 따라 파이프의 두께 감소율도 변화하지 않으므로 설계조건을 만족하기 위한 반력모멘트 부가량도 일정함을 알수 있었다.
- (3) 파이프 벤딩 공정의 중요 공정변수는 가열온도, 가열 폭, 파이프 이송속도, 냉각속도로서 가열온도는 낮을수록 가열폭은 넓을 수록 이송속도는 빠를 수록 최대 두께 감소율은 감소함을 알 수 있었다.
- (4) 이론으로부터 계산된 반력모멘트를 실제 유한요소해석과 실험을 통하여 검증한 결과 잘 일치함을 알 수 있었으며 유한요소해석 결과 온도구배의 경우 벤딩 외측과 내측의 온도 차이가 250C가 되면 반력모멘트 부가 없이도 설계조건을 만족하는 제품을 생산할 수 있음을 알 수 있었다.
- (Fig. 9(a)) 그러나 가열온도가 낮아지게 되면 벤딩 하중이 증가하게 되고 또한 벤드제품의 진원도 불량도 높아지기 때문에 최적의 가열온도는 약 800℃~90CTC 정도가 적당함을 알 수 있었다.
- 21° 로 하기 위하여 필요한 반력모멘트의 양을 식(1)으로부터 구하였다. 계산결과 1.525 D2 to가 필요함을 알 수 있었으며 이 값은 파이프의 평균유동응력 및 파이프의 제원이 결정되면 이론적으로 계산되어지는 값이다.
- 유한요소 해석 결과 가열폭이 넓어짐에 따라 두께감소율은 감소함을 알 수 있다. 그러나 최대 값과 최소 값의 차이가 0.52%로 가열폭에 비해 크게 영향을 받지 않음을 알 수 있었다. 가열폭이 넓으면 넥킹, 주름 및 진원도불량이 나타나기 때문에 일반적으로 가열폭은 파이프 두께의 2배까지로 제한하고 있음(9)을 감안하면 최적의 가열폭은 20mm임을 알 수 있다.
- 3은 각각의 실험온도에서의 변형률 속도에 따른 변형률과 응력의 관계로서 시험편의 가열온도가 감소하고 변형률 속도가 증가함에 따라 유동응력이 증가하는 경향을 알 수 있다. 또한 실험 결과로부터 상온에서의 유동응력이 800℃이상의 고온에서의 유동응력에 비해 약 10배 이상 크게 나타남을 알 수 있었다. 실험으로부터 구한 온도 및 변형률 속도에 따른 변형률과 응력의 데이터를 반력모멘트 계산 및 유한요소해석의 물성치로 사용하였다.
- 유한요소 해석은 원주방향에 대해서 대칭이므로 해석의 시간을 단축하기 위해 1/2단면만 모델링하여 해석을 수행하였다. 또한 유한요소 격자는 변형부(유도 가열 영역)에 세분화하여 계산의 정확성을 높게 하였다. 해석은 벤딩 각도 90° 만큼 수행하여 벤딩각도에 따른 벤딩특성, 각각의 공정변수에 따른 벤딩특성을 평가하였으며 반력 모멘트와 온도구배가 두께 감소율에 미치는 영향을 평가하였다.
- 반력모멘트를 부가함에 따라 중립축의 위치가 파이프 외측으로 이동함을 알 수 있었으며 반력모멘트 부가량이 증가함에 따라 중립축의 파이프 외즉으로의 이동량 또한 증가함을 알 수 있었다.
- 9(b)에 해석 결과로부터 구한 두께감소율을 나타낸다. 유한요소 해석 결과 가열폭이 넓어짐에 따라 두께감소율은 감소함을 알 수 있다. 그러나 최대 값과 최소 값의 차이가 0.
- 13에 나타낸다. 유한요소 해석결과와 마찬가지로 실험결과 역시 벤딩 각도에 따라 두께 감소율이 크게 변화하지 않음을 알 수 있으며 실험결과와 유한요소해석 결과가 대체적으로 잘 일치함을 확인할 수 있다. Fig.
- 21° 가 됨을 알 수 있었다. 이것은 결론적으로 벤딩모멘트가 작용하지 않는 경우와 비교하여 2.0D에 대해서 설계조건을 만족하기 위해서는 반력 모멘트를 작용시켜 중립축의 위치를 이동시켜야 한다는 것을 의미한다. Fig.
- 11은 해석결과를 나타내는 것으로서 온도구배가 증가함에 따라 파이프의 최대 두께 감소율이 감소함을 알 수 있다. 특히 온도구배가 25CTC 인 경우 즉, 벤딩 내측이 벤딩 외측보다 250℃ 높은 경우에서는 최대 두께감소율이 11.8%로 반력모멘트 부가가 없이도 설계조건을 만족하는 값을 가짐을 알 수 있었다. 이러한 현상은 파이프 가열 영역에서 압축응력을 받는 부분은 온도가 높고 반대로 인장을 받는 부분에서는 온도가 낮아 상대적으로 인장 측의 변형저항이 압축 측보다 크게 되어 변형이 적게 일어나 두께 감소율이 감소하게 되어 나타나는 현상이다.
- 중립축의 변화를 평가하였다. 해석 결과 벤딩이 진행됨에 따라 중립축은 약 89~91° 까지 거의 변화가 없음을 알 수가 있었다. 이것은 벤딩각도에 따라 반력모멘트의 부가량을 변화시킬 필요가 없음을 나타내며 벤딩각도의 변화에 따라 파이프의 두께 감소율도 변화하지않음을 의미한다.
- Table 2 및 Table 3의 A에 해석조건을 나타낸다. 해석결과 파이프의 두께 감소율은 파이프의 가열 온도가 낮을수록 두께 감소율은 작아짐을 알 수 있었다.(Fig.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.