[논문]아이스 콘 금형의 유동해석

이종선; 원종진; 홍석주; 윤희중

아이스 콘 금형의 유동해석
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본 논문에서는 아이스크림용 아이스 콘에서 콘 부분을 만들기 위한 금형의 제작시 필요한 구조적 안정성을 평가 할 수 있는 유동해석을 수행하였다. 유동해석을 수행하기 위하여 상용 유한요소해석 코드인 ANSYS를 활용하였으며 내압조건, 경계조건, 구속조건 등을 고려하여 아이스 콘 금형 내부의 유동 흐름을 압력조건의 변화에 따라 구하였다.

This study is object to flow analysis of ice cone die. The finite element model was developed to compute the flow, velocity and pressure for ice cone die. For flow analysis using result from FEM Code. This flow analysis results, many variables such as internal pressure, boundary condition, constraint condition and velocity condition are considered.

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문제 정의

이런 생산라인에서 주의할 부분은 금형에 의해서만들어지는 아이스 콘의 최적 입자크기, 재료에 가해지는 최적 압력, 금형의 형태에 따라서 재료의 유동이 결정되어 질 수 있다. 본 논문에서는 아이스 콘을 생산하기 위한 금형 제작에 필요한 구조적 안정성을 평가할 수 있는 유동해석을 수행하였다. 유동해석을 수행하기 위해서 상용 유한요소해석 코드인 ANSYS를 활용하여 내압조건, 경계조건, 구속조건 등을 고려하여 아이스 콘의 유동 흐름을 압력 조건의 변화에 따라 구하였다.
본 논문에서는 아이스콘 재료의 금형 내에서의 유동흐름과 압력분포를 구하고자 유동해석을 실시하였다.
유동해석을 수행하기 위해서 상용 유한요소해석 코드인 ANSYS를 활용하여 내압조건, 경계조건, 구속조건 등을 고려하여 아이스 콘의 유동 흐름을 압력 조건의 변화에 따라 구하였다. 이를 토대로 아이스콘을 생산하는 최적 조건의 금형을 개발하기 위한 기초 설계자료로 활용하고자 한다.

제안 방법

(1) 해석대상에 대하여 유동해석을 수행하여 금형 내부의 속도와 압력의 분포를 구하였다.
또한 해석 옵션으로서 난류모델을 적용하였다. 난류 모델을 적용하여 해석한경우, 해석의 타당성을 검증하기 위해 출구에서의 path plot를 확인하였고, 이에 따라 압력을 각각 100, 150, 200bar로 하여 해석을 수행하였다. Figure 5는 출구에서의 path plot를 나타내었으며 Figure 6~Figure 8은 lOObar에서의 속도벡터의 흐름과 속도분포, 압력분포를 나타내었다.
아이스콘에 대하여 유한요소해석 방법을 이용하여 유동해석을 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
아이스콘의 유동해석 시 Figure 2와 같은 모델을 사용하였으며 해석시간의 단축과 유동해석의 특성상 축 대칭 모델과 직접 흐름이 이루어지는 부분을 MDT에서 설계한 후에 인터페이스(interface) 하여 ANSYS에서 모델링하였다. 해석모델의 모델링은 상용 유한요소해석 코드인 ANSYS에서 FLOTRAN CFD의 Element Types인 FL-UID141 을 지정하였다.
본 논문에서는 아이스 콘을 생산하기 위한 금형 제작에 필요한 구조적 안정성을 평가할 수 있는 유동해석을 수행하였다. 유동해석을 수행하기 위해서 상용 유한요소해석 코드인 ANSYS를 활용하여 내압조건, 경계조건, 구속조건 등을 고려하여 아이스 콘의 유동 흐름을 압력 조건의 변화에 따라 구하였다. 이를 토대로 아이스콘을 생산하는 최적 조건의 금형을 개발하기 위한 기초 설계자료로 활용하고자 한다.

대상 데이터

우리가 지금까지 일상생활에서 흔하게 접해왔던 아이스크림용 아이스 콘의 형상은 둥근 원판의 형상을 원뿔형태로 말아서 사용하였다. 그로 인해서 생산 공정이 복잡해지고 불필요한 재료의 낭비로 인해서 생산시간과 재료비의 많은 부분이 허비된다.
해석모델의 모델링은 상용 유한요소해석 코드인 ANSYS에서 FLOTRAN CFD의 Element Types인 FL-UID141 을 지정하였다. Figure 3에서는 면과 선을 30, 099 개의 요소와 28, 855개의 절점으로 만든 아이스콘의 구조를 나타내고 있다.
해석에 사용된 아이스콘의 재료는 밀가루와 물이 혼합된 재료이며, 원심분리 등을 이용하여 점도와 밀도 등의 물성치를 구하였다. 고려된 물성치는 Table 1과 같다.

이론/모형

Figure 4는아이스 콘의 입구 및 출구의 압력 조건과 속도 조건, 그리고 구속조건을 표시한 것이다. 또한 해석 옵션으로서 난류모델을 적용하였다. 난류 모델을 적용하여 해석한경우, 해석의 타당성을 검증하기 위해 출구에서의 path plot를 확인하였고, 이에 따라 압력을 각각 100, 150, 200bar로 하여 해석을 수행하였다.

성능/효과

(2) 해석 결과 압력 조건이 유동 흐름에 중요한 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다.

후속연구

(3) 향후 유동해석의 결과를 아이스콘 금형의 최적 형상을 결정하는 자료로 활용할 수 있을 것으로 판단된다.

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