$\require{mediawiki-texvc}$

연합인증

연합인증 가입 기관의 연구자들은 소속기관의 인증정보(ID와 암호)를 이용해 다른 대학, 연구기관, 서비스 공급자의 다양한 온라인 자원과 연구 데이터를 이용할 수 있습니다.

이는 여행자가 자국에서 발행 받은 여권으로 세계 각국을 자유롭게 여행할 수 있는 것과 같습니다.

연합인증으로 이용이 가능한 서비스는 NTIS, DataON, Edison, Kafe, Webinar 등이 있습니다.

한번의 인증절차만으로 연합인증 가입 서비스에 추가 로그인 없이 이용이 가능합니다.

다만, 연합인증을 위해서는 최초 1회만 인증 절차가 필요합니다. (회원이 아닐 경우 회원 가입이 필요합니다.)

연합인증 절차는 다음과 같습니다.

최초이용시에는
ScienceON에 로그인 → 연합인증 서비스 접속 → 로그인 (본인 확인 또는 회원가입) → 서비스 이용

그 이후에는
ScienceON 로그인 → 연합인증 서비스 접속 → 서비스 이용

연합인증을 활용하시면 KISTI가 제공하는 다양한 서비스를 편리하게 이용하실 수 있습니다.

[국내논문] 신뢰성 설계를 위한 엔진 실린더 블록과 메인 보어의 유한요소해석
Finite Element Analysis of Engine Cylinder Block and Main Bore for Reliable Design 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.13 no.4, 2005년, pp.39 - 48  

양철호 (안동대학교 기계공학부) ,  한문식 (계명대학교 기계자동차공학부)

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Finite element analyses have been performed for the purpose of obtaining the robust and reliable design of engine cylinder block. Fatigue under high cycle operating loads is a primary concern and is evaluated by a probabilistic method. The robust and reliable design by a probabilistic method can pro...

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper 아이콘 AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

제안 방법

  • 그러나 자동차가 주행 중에 받는 모든 하중을 측정하여 CAE 모델에 적용하는 것은 한계가 있으므로 엔진 내구설계는 예측할 수 있는 측정 가능한 하중과 혼 란요소(noise factor)의 영향을 고려한 결과를 확률적 방법(probabilistic method)에 의해 해석하는 신뢰-강건 개념 설계(reliable & robust design concept)# 추구해야 할 것이다. 이러한 이유로 본 연구에서는 엔진 피로 설계에 있어서 기존의 결정론적 방법 (deterministic method)에 의한 피로 강도 추정이 아닌 확률적 방법에 의한 접근을 시도하였다. 이러한 설계 방법은 제품 신뢰성 향상과 최적화에 따른 개발비용 절감을 가능하게 하고 아울러 소비자의 안전을 증진시키는데 큰 영향을 끼칠 것이다.
  • 상용유한 요소 코드인 ABAQUS4)를 사용하여 응력해석을 수행하였고 그 결과를 피로해석.코드인 FEMFAT을 사용하여 피로 수명을 예측하였다. 확률적 피로 설계 예측을 위해서는 MINITAB을 사용하였다.
  • 반복적인 폭발하중과 관성력은 크랭크 샤프트를 통하여 메인 베어링, MBC, 벌크 헤드 부분에 전달되며, 이러한 고주기 하중에 의한 피로는 엔진 설계시 에 고려되어야 할 중요한 인자이다. 특히 실린더 블 록 같은 구조물은 알루미늄과 같은 경금속의 사용과 볼트 구멍의 노치 등 기하학적 인 요인에 의한 응력 집중 때문에 피로 파괴에 노출되기 쉽다 본 연구에서는 확률적 방법을 이용한 신뢰-강 건 설계 개념을 도입하여 엔진 실린더 블록의 고주기피로 파괴를 방지할 수 있는 방안을 제 안하였다.
  • 사용된 부모 델은 실린더 블록에서 가장 하중을 많이 받는 취약 한 부분으로서 상부는 실린더 아래 부분에서 절단하였고 측면은 실린 더 블록 스커트 부분에서 절단하였다. 상세한 응력해석을 하기 위해서 부 모델은 본 모델보다 조밀한 요소를 사용하였고 주요 응력 집중 부위 인 볼트 구멍, 창위치, 호우닝 틈새(honing clearance), 메인 보어 부에서는 일정한 가로세로비 (aspect ratio)를 사용한 요소를 사용하였다.
  • 벌크헤드의 거동과 응력해 석 결과를 엔진 전체 모델의 거동과 응력해석의 결과와 비교하여 검증된 경계 조건을 다음과 같이 적용하였다.
  • 벌크헤드의 후면은 면수직 방향으로 고정하였으며, 실린더 헤드의 상부면은 폭발하중 작용 시에 면 수직 방향으로 고정하였다. 또한, 강체 운동(rigid body motion)을 제거하기 위하여 실린 더 블록밸리 (engine block valley) 부의 중앙에 위치한 2절점을 수평 방향으로 고정하고, 1절점은 수직방향으로 고 정하였다. 부모델은 본 모델과의 경계에서의 변위 결과를 경계 조건으로 사용하였다.
  • 사용된 재료는 등 방성 경 화 탄소성(elastic-plastic with an isotropic hardening model) 거동 모델을 이용하였고, 인장 시험을 수행하여 얻은 재료의 응력-변형률 곡선을 수치 모사에 이용하였다 (Fig. 3).
  • 볼트와 볼트 구멍의 나사산 사이의 힘 전달에는 볼트의 절점과 볼트 구멍의 절점을 서로 구속시켜 힘을 수직으로 전달하게 하는 모델링 방법을 사용하였고 나사산 노치에서 상세한 응력 결과를 필요로 할 경우에는 실제 나사산 모양을 가진 2차 부모델을 사용하여 해석하였다.
  • 매개 변수 CAD 모델의 주요 설계인자의 변화에 따른 시스템의 반응을 주 영향 곡선 (main effect plot) 으로 나타내어서 어떤 설계인자가 벌크헤드의 반응 민감도를 크게 하는지를 결정 하였다.
  • 벌크헤드의 창의 위치와 크기는 설계구 속 조건에 따른 공간상의 제약을 고려하여 가능한 설계구간 내에서 범위를 설정하였다. 3가지 경우(창이 없는 경우, 창 A, 창B)를 고려하였고 창이 없는 경우의 하중경로를 파악하여 창A, B의 위치와 크기를 설계 가능 구간 내에서 설정하였다.
  • 벌크헤드의 확률적 설계를 위하여 먼저 P- Dia- gram을 이용하여 시스템 혼란 요소를 실린 더 압력, 피로 강도, 인장 강도로 결정하였다. P-Diagram 이란 제품이나 공정 설계시에 제어 가능한 설계변수 와 제어 불가능한 설계변수 및 혼란 요소를 정리한 도표이 다
  • CDOE 매트릭스의 각각의 경우에 대한 시뮬레이션을 수행한 결과를 이용하여 시스템의 반응에 영향을 미치는 주요 요소를 결정하였다. 이 결과는 시스템의 최적화를 이루기 위해 사용할 수 있다.
  • 기존의 엔진 블록 응력해석 및 피로해석에 사용되 었던 유한요소 모델의 메인 보어 부분을 수정하여 메인 보어원을 따라 요소의 수를 증가시켰다. 베어링 셸은 ABAQUS 의 C3D8 요소를 사용하여 모델링하였다.
  • 상-하 베어링 셸은 ABAQUS 의 *EQUATION을 사용하여 구속하였다 한쪽 셸의 접촉부는 상 대 변위를 0으로 놓아 운동을 제한시켰고 다른 한쪽은 베어링 압착(bearing crush)의 양만큼 상대 변위를 주어 베어링 셸과 보어간의 간섭 맞춤을 주었다. 셸과 보어는 마찰이 있는 접촉 조건을 사용하였다.
  • 2절에서 언급한 메인보어의 찌그러짐 해석 방법은 실험적으로 찌그러짐 정도를 구하는 방법과 같은 절차를 사용하였다. 실험적으로 메인 보어의 찌그러짐 정도는 다음과 같이 측정하였다 먼저 실린더 블록에 MBC를 장착하고 메인 보어를 머시닝한다. MBC를 탈착한 후에 다시 장착하고 보어 직 경, 원형도, 캡이동을 측정해 설계치수와 비교한다.
  • 실험적으로 메인 보어의 찌그러짐 정도는 다음과 같이 측정하였다 먼저 실린더 블록에 MBC를 장착하고 메인 보어를 머시닝한다. MBC를 탈착한 후에 다시 장착하고 보어 직 경, 원형도, 캡이동을 측정해 설계치수와 비교한다. 실린더 블록, 헤드, MBC, 메인 베어링 셸을 볼트로 체결하여 결합된 상태에서의 메인보어 직경, 원형도를 측정한다.
  • MBC를 탈착한 후에 다시 장착하고 보어 직 경, 원형도, 캡이동을 측정해 설계치수와 비교한다. 실린더 블록, 헤드, MBC, 메인 베어링 셸을 볼트로 체결하여 결합된 상태에서의 메인보어 직경, 원형도를 측정한다. FEA를 사용하여 계산된 메인보어상 의 절점에서의 변위를 이용한 수치적인 원형도, 직선도와 실험측 정치와의 비교는 Table 2, 3에 정리하였다.
  • 4.2절에서 '제안된 절차를 사용하여 벌크헤드의 원형도를 계산하였다. 외측 볼트 없이 결합했을 경우와 그렇지 아닌 경우의 원형도를 비교하였다.
  • 2절에서 '제안된 절차를 사용하여 벌크헤드의 원형도를 계산하였다. 외측 볼트 없이 결합했을 경우와 그렇지 아닌 경우의 원형도를 비교하였다. 먼저 테스트 결과와FEA 결과를 비교하여 수치 모델을 검증하였다.
  • 외측 볼트 없이 결합했을 경우와 그렇지 아닌 경우의 원형도를 비교하였다. 먼저 테스트 결과와FEA 결과를 비교하여 수치 모델을 검증하였다. 상온에서의 MBC 결합 후의 계산된 찌그러짐 양은 테스트 결과와 같은 경향을 보여주었다.
  • 다음은 전체 엔진 실린더 블록을 사용한 베어링 압착의 변화에 따른 찌그러짐 양의 유한 요소 해석 결과를 실험 결과와 비교하였다. 베어링 압착의 양을 증가함에 따라서 찌그러짐 양도선형적으로 변화하였으나 실험값과 FEA값이 다소 차이를 보였다 (Fig.
  • 확률적 방법을 이용하여 결정론적 방법에 의한 설계에서 고려하지 못했던 시스템의 반응에 대한 혼란 요소의 영향을 연구하였다. CAE를 이용한 피로 설계 방법의 발전은 테스트에 따른 개발 비용 절감을 가능케 하나 시스템 모델링 방법의 한계 때문에 경우에 따라서 실제 문제를 대표하지 못한 경우도 있었다.
  • CAE를 이용한 피로 설계 방법의 발전은 테스트에 따른 개발 비용 절감을 가능케 하나 시스템 모델링 방법의 한계 때문에 경우에 따라서 실제 문제를 대표하지 못한 경우도 있었다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 확률적 방법을 사용한 신뢰-강 건 설계 개념을 엔진 피로 설계에 이용하였다. 신뢰-강 건 설계 개념은 시스템 혼란요소에 대해 서 비민감한 강건하고 신뢰성 있는 시스템의 설계를 가능하게 하였다.
  • 메인 보어의 원형도를 유지하기 위한 보어 공정의 보정량의 계산과 이를 엔진 실린 더 블록 어셈블 공정에 보정해주는 절차가 수식으로 표현되었다. 유한요소 해석의 변위 결과를 이용하여 실린 더 블록의 메인보어 찌 그러짐을 수치적 으로 계산하고 결과를 시험 결과와 비교하여 수치 방법을 검증하였다. 이 수치 방법을 사용하면 설계 초기에 설계요소 (하중, 베어링 압착, 기하학적 형상 등)가 메인 보어 찌 그러짐에 미치는 영향을 베어링셸의 설계에 반영할 수 있으므로 보다 신뢰성 높은 엔진을 설계할 수 있을 것으로 사료된다.

대상 데이터

  • 엔진 실린더 블록 벌크 헤드의 구조 해석을 위하여 Fig. 1의 3차원 모델을 사용하였다. 유한요소 모델은 실린더 블록의 4개의 벌크 헤드 중에서 가장 큰 하중을 받는 2번째 벌크헤드와 MBC, 볼트, 단순화된 실린 더 헤드로 구성되어 있다.
  • 사용된 유한요소는 상용유한 요소해석 코드인 ABAQUS의 수정된 2차 사면체 요소(C3D10M in ABAQUS)이고 100,000 ~ 250, 000여개의 절점을 사 용 했다. 피로 파괴의 가능성이 있는 부분의 상세한 응력해석을 위하여 부모델(sub-model)이 사용되었 다{Fig.
  • 엔진 개발의 초기 단계에서 주요 설계인자를 결정하기 위해서 2종류의 CAD 모델을 이용하였다. 첫 번째 모델은 매개변수(parametric) CAD 모델로서 세부적인 설계사양은 포함하지는 않지만 주요 설계인자를 포함하여 신속하게 모델을 구축할 수 있으므로 CAE를 이용한 초기 엔진 설계 용도로 적합한 모델이다.

데이터처리

  • 본 연구에서는 벌크헤드(bulkhead)와 메인 베어링 캡(main bearing cap), 이하에서 MBC로 표시, 의예를 들어서 확률적 엔진 설계 방법을 설명하였고 메인 보어(main bore)의 찌그러짐(distortion) 정도를 나타내는 원형도(roundness), 직선도(straightness)를 CAE를 이용한 방법으로 계산하여 실험치와 비교함으로서 제안된 방법이 메인 보어의 베어링 셸 설계에 유용하게 사용될 수 있음을 보여주었다. 상용유한 요소 코드인 ABAQUS4)를 사용하여 응력해석을 수행하였고 그 결과를 피로해석.코드인 FEMFAT을 사용하여 피로 수명을 예측하였다.

이론/모형

  • 코드인 FEMFAT을 사용하여 피로 수명을 예측하였다. 확률적 피로 설계 예측을 위해서는 MINITAB을 사용하였다.
  • 고려된 요소들의 최적 표본점(optimal sampling point)을 결정하기 위해 MINITAB을 사용하여 Table 1과 같이 CDOE(computational design of experiment) 를구성하였다.
  • 메인 보어의 찌그러짐을 해석하기 위하여 벌크헤드의 피로 해석에 사용되었던 엔진 실린 더 블록 전체의 유한 요소 모델과 그 일부분인 벌크 헤드 유한 요소 모델을 사용하였다. 전체 블록 모델은 메인 보어 간의 직선도를측정 하기 위하여 사용되었고벌크 헤드모델은메인 보어의 원형도를 측정하기 위하여 사용되었다.
  • 메인 보어의 찌그러짐을 해석하기 위하여 벌크헤드의 피로 해석에 사용되었던 엔진 실린 더 블록 전체의 유한 요소 모델과 그 일부분인 벌크 헤드 유한 요소 모델을 사용하였다. 전체 블록 모델은 메인 보어 간의 직선도를측정 하기 위하여 사용되었고벌크 헤드모델은메인 보어의 원형도를 측정하기 위하여 사용되었다.
  • 기존의 엔진 블록 응력해석 및 피로해석에 사용되 었던 유한요소 모델의 메인 보어 부분을 수정하여 메인 보어원을 따라 요소의 수를 증가시켰다. 베어링 셸은 ABAQUS 의 C3D8 요소를 사용하여 모델링하였다. 셸의 두께 방향으로 2개의 요소를 사용하였고 원주 방향으로 40개의 요소와 보어 중심 방향으로 8개의 요소를 사용하였다.
  • 실린더 블록의 메인 보어 찌 그러 짐을 수치적으로 계산하기 위하여 간단한 Matlab M-Hle을 작성하였다. 메인 보어의 원형도를 유지하기 위한 보어 공정의 보정량의 계산과 이를 엔진 실린 더 블록 어셈블 공정에 보정해주는 절차가 수식으로 표현되었다.
본문요약 정보가 도움이 되었나요?

참고문헌 (10)

  1. R. Juvinall and K. Marshek, Fundamentals of Machine Component Design 3rd ed., John Wiely & Sons, Inc., New York, 1999 

  2. N. H. Cho, S. U. Lee, S. K. Lee and S. H. Lee, 'Finite Element Analysis of Thermal Fatigue Safety for a Heavy-Duty Diesel Engine,' Transactions of KSAE, Vol.12, No.1, pp.122-129, 2004 

  3. J. Thomas, 'Fatigue Modeling for Automotive Applications,' SAE 2002-01-0655 World Congress, Detroit, 2002 

  4. ABAQUS Users Manual, Ver 6.2, HKS, 2002 

  5. T. Takahashi, T. Nagayoshi and M. Kumano, 'Thermal Plastic-Elastic Creep Analysis of Engine Cylinder Head,' SAE 2002-01-0585, World Congress, Detroit, 2002 

  6. C. H. Yang, 'Fatigue Analysis of New V6 3.5L Bulkhead Including Balance Shaft,' Ford Internal Report, 2000BED-D049, 2000 

  7. C. H. Yang, 'New V6 3.5L Bulkhead Design Iteration,' Ford Internal Report, 2000BEDD034, 2000 

  8. C. H. Yang, 'Cyclone V6 3.5L Cylinder Block Fatigue Assesment,' Ford Internal Report, 2002BED-D001, 2002 

  9. CRS, 'CRS Fatigue Laboratory Report of Testing of Specimens of HP Die Cast V6 Cylinder Block Castings,' CRS Report S-8109, 1998 

  10. S. Chowhury, Design for Six Sigma: the Revolutionary Process for Achieving Extraordinary Profits, Dearborn Trade Pub., Detroit, MI, 2002 

저자의 다른 논문 :

활용도 분석정보

상세보기
다운로드
내보내기

활용도 Top5 논문

해당 논문의 주제분야에서 활용도가 높은 상위 5개 콘텐츠를 보여줍니다.
더보기 버튼을 클릭하시면 더 많은 관련자료를 살펴볼 수 있습니다.

관련 콘텐츠

저작권 관리 안내
섹션별 컨텐츠 바로가기

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

AI-Helper 아이콘
AI-Helper
안녕하세요, AI-Helper입니다. 좌측 "선택된 텍스트"에서 텍스트를 선택하여 요약, 번역, 용어설명을 실행하세요.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.

선택된 텍스트

맨위로