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문제 정의
- 국내에서는 류철성등[4, 5]이 재생냉각 채널에 대하여 탄-소성 구조해석과 구조시험을 점 소성였다. 본 연구에서는 Bodner-Partom 점소성 모델을 이용하여 연소기 재생냉각 챔버 점 소성에 대한 탄성-점소성 구조해석을 수행하여 구조적인 안정성을 검토하였다.
가설 설정
- 내부상태변수 Z는 아래의 Eq. 9와 같이 등방경화 성분과 방향 경화 성분의 합으로 나타내며 소성 일의 함수로 가정한다.
- 5초 까지는 연료가 냉각 채널을 통해 연소기 헤드부연료 매니폴드까지 유동하는 시간으로 이 구간에서는 연소가 일어나지 않는다. 초기 연소가 시작되는 0.5초에서 0.8초까지의 천이 구간에서 경계 조건들은 선형적으로 변한다고 가정하였다 [13], 본 연구에 사용한 작동 이력은 Fig. 7에 나타내었으며 Table 2는 열/구조해석에 사용한 경계 조건들이다.
제안 방법
- 이러한 비용 및 시간을 줄이기 위하여 액체로켓 연소기개발과정에서 1개의 연소기를 이용하여 많은 연소시험을 수행한다. 따라서 연소기 챔버는 열/기계적인 하중 사이클을 반복적으로 받는다.
- 연소기 재생냉각 챔버의 내측 구조물 인구리 합금은 매우 높은 고온의 연소가스와 접하고 있기 때문에 변형률 속도 변화에 의한 영향을 받을 수 있다. 이 변형률 속도 변화에 대한 각각의 응력-변형률 데이터를 얻기 위하여 사용하는 구리합금 재료의 변형률 속도 시험을 수행하였다. 변형률 속도 시험은 상온, 473 K, 673 K 그리고 773 K 에서 변형률 속도 0.
- 이 변형률 속도 변화에 대한 각각의 응력-변형률 데이터를 얻기 위하여 사용하는 구리합금 재료의 변형률 속도 시험을 수행하였다. 변형률 속도 시험은 상온, 473 K, 673 K 그리고 773 K 에서 변형률 속도 0.02secT, 0.002sec-1, 0.0002sec-1, 그리고 0.00002secT 의 속도로 시험을 수행하였으며 그 결과들은 Fig. 1 ~ Fig. 4에 나타내었다.
- " data-before="한다" data-ocr-fix="">한다. [10], 인장시험과 크립 시험 데이터에 기초를 둔 Bodner-Portom 모델의 재료상수들을 계산하기 위한 방법은 여러 문헌들에서 제시되었다 본[11, 12], 본 연구에서는 구리합금의 열적인 회복 영향을 고려하지 않았으며 회복 상수들을 제외한 나머지 재료상수들을 구한 값들을 Table 1에 나타내었다.
- 않다. 이러한 이유 때문에 본 연구에서는 Marc 상용프로그램에서 제공하는 사용자 서브루틴 기능으로 점소성 구성 모델을 구현하여 냉각채널의 구조해석을 수행하였다.
- 이들 재료의 물리적인 물성 값들은 류철 성 등[5]이 재료시험을 통하여 얻은 데이터를 사용하였다. 연소기 챔버의냉각 채널부는 동일한 채널 형상이 연소실 원주 방향으로 반복적으로 배치되기 때문에 1개 채널에 대한 형상을 모델링 하였다. 구조해석은 열 하중을 가장 많이 받는 노즐 목에서 수행하였으며 노즐 목에서 냉각 채널의 폭은 1.
- 냉각 채널의 두께를 증가시키면 냉각 성능이 떨어지기 때문에 구조물의 온도가 증가하여 열응력이 증가하고 구조물의 변형이 증가한다. 이러한 이유 때문에 본 연구에서는 냉각 채널의 두께를 1.5 mm 와 1.0 mm을 선정하여 구조해석을 수행하여 두께 변화에 따른 구조적인 영향에 대하여 고찰하였다.
- 냉각 채널 구조물의 온도 분포를 얻기 위하여 먼 저열 해석을 수행한 후 이들 온도분포 데이터와 냉각 유체와 연소 가스의 작동조건을 이용하여 냉각 채널의 구조해석을 수행하였다.
- 수행하였다. 본 연구에 사용한 점소성 모델의 재료상수를 구하기 위하여 여러 온도 조건에서 구리합금에 대한 변형률 속도 시험을 수행하였다. 시험결과 연소기 재생냉각 채널부의 재료로 사용하는 구리합금은 상온, 473 K, 및 673 K 까지는 변형률 속도 영향이 크게 나타나지 않았으나 773 K에서 변형률 속도 영향이 크게 나타나고 있음을 확인할 수 있었다.
- 점 소성 모델의 재료 상수들은 구리합금의 변형률 속도 시험 데이터를 이용하여 구하였으며, 이 데이터들을 이용하여 재생 냉각 챔버에 대한 탄성-점소성 구조해석을 수행하였다. 해석 결과냉각 채널 두께가 1.
- 연소기 챔버의냉각 채널부는 동일한 채널 형상이 연소실 원주 방향으로 반복적으로 배치되기 때문에 1개 채널에 대한 형상을 모델링 하였다. 구조해석은 열 하중을 가장 많이 받는 노즐 목에서 수행하였으며 노즐 목에서 냉각 채널의 폭은 1.2 mm이다.
대상 데이터
- 6에 나타내었듯이 내측 구조물에 구리합금과 외측 구조물에 STS329JK 사용한다. 이들 재료의 물리적인 물성 값들은 류철 성 등[5]이 재료시험을 통하여 얻은 데이터를 사용하였다. 연소기 챔버의냉각 채널부는 동일한 채널 형상이 연소실 원주 방향으로 반복적으로 배치되기 때문에 1개 채널에 대한 형상을 모델링 하였다.
- 열/구조해석에 필요한 경계조건은 현재 국내에서 개발하고 있는 연소기 작동 조건으로 하였으며 열 해석에 필요한 경계조건은 연소실 내부유동해석으로 얻은 데이터를 사용하였다. 냉각 채널 구조물의 온도 분포를 얻기 위하여 먼 저열 해석을 수행한 후 이들 온도분포 데이터와 냉각 유체와 연소 가스의 작동조건을 이용하여 냉각 채널의 구조해석을 수행하였다.
데이터처리
- 본 연구에 사용한 재료 상수들 및 모델의 검증을 위하여 변형률 속도시험 결과들과 Bodner-Partom 점소성 모델을 이용하여 계산한 결과들을 비교하였다. 비교 결과 변형률 5%까지점소성 모델을 이용한 계산 결과와 변형률 속도시험 결과가 잘 일치하였다.
이론/모형
- Bodner-Partom 점소성 모델을 이용하여 액체로켓 연소기 재생냉각 챔버 구조물의 열/구조해석을 수행하였다. 본 연구에 사용한 점소성 모델의 재료상수를 구하기 위하여 여러 온도 조건에서 구리합금에 대한 변형률 속도 시험을 수행하였다.
성능/효과
- 시험온도 473 K에서 변형률 속도에 대한 영향은 상온시험 결과와 큰 차이는 없었다. 시험 온도를 증가 시켜 673 K 에서는 약 3%까지의 변형률에서는 변형률 속도 영향이 작게 나타났지만 약 3% 이상으로 총 변형률이 증가하면서 유동응력의 차이가 상온과 473 K 시험 결과보다 크게 나타났다. 시험 온도를 773 K로 증가시키면 Fig.
- 시험 온도를 증가 시켜 673 K 에서는 약 3%까지의 변형률에서는 변형률 속도 영향이 작게 나타났지만 약 3% 이상으로 총 변형률이 증가하면서 유동응력의 차이가 상온과 473 K 시험 결과보다 크게 나타났다. 시험 온도를 773 K로 증가시키면 Fig. 4에 나타낸 결과처럼 탄성 영역을 지나 소성 변형을 시작하면서 변형률 속도 영향이 나타나기 시작하여 변형률이 증가함에 따라 유동응력의 차이가 낮은 온도에서의 시험 결과보다 매우 크게 나타났다.
- 이 시험 결과 본 연구에 사용하는 구리합금의 경우 온도가 773 K 이상에서는 변형률 속도 민감도가 매우 크게 증가한다는 것을 알 수 있으며 이러한 영향은 고온의 환경에서 작동하는 연소기 챔버의 냉각 채널 구조물의 설계에 반영되어야 한다. 본 연구에 사용하는 구리합금의 용융온도는 1353 K이다.
- 본 연구에 사용하는 구리합금의 용융온도는 1353 K이다. 따라서 작동 온도가 773 K 즉, 시험온도가 재료의 용융온도의 57%에 도달하면 변형률 속도에 따른 영향이 확연하게 나타나는 특성을 나타내었다.
- 비교하였다. 비교 결과 변형률 5%까지점소성 모델을 이용한 계산 결과와 변형률 속도시험 결과가 잘 일치하였다. 이 비교 결과들은 Fig.
- 냉각 채널의 열 해석 결과 냉각 채널 두께 1.5 mm의 형상에서 최대온도는 677.4 K이며 두께 1.0 mm인 경우 645.5 K로 냉각 채널 두께를 0.5 mm 감소시킴으로서 구조물의 온도를 32 K 감소시키는 효과가 있었다. 이러한 온도 분포는 구리합금의 용융온도인 1353 K와 변형률 속도시험 결과를 고려할 때 재료의 기계적인 특성은 저하시키나 열적인 손상은 발생시키지 않는다.
- 9에 나타내었다. 해석 결과 최대 유효변형률은 리브 (rib)에서 나타났으며 그 값들은 냉각 채널 두께 1.0 mm 와 1.5 mm에서 각각 1.413%와 1.454%이다. 동일한 두께를 가지는 외피 구조물의 최대 유효 변형률은 냉각 채널 두께가 1.
- 454%이다. 동일한 두께를 가지는 외피 구조물의 최대 유효 변형률은 냉각 채널 두께가 1.0 mm 일대 0.167%로 나타났으며 냉각 채널 두께 1.5 mm인 경우에는 0.168%로 구조물이 탄성영역에서 거동함을 알 수 있다.
- 냉각 채널 두께 변화에 따른 영향으로 냉각 채널의 두께를 감소시키면 채널 리브에서 유효 변형률은 증가하지만 냉각 채널의 피로 수명과 관련 있는 채널 중앙부에서의 유효변형률은 열 하중이 감소함으로써 1.313%에서 1.03%로 감소하였다. 비록 연소 가스와 접하는 냉각 채널 부는 외피 구조물에 의한 기하학적인 구속특성과 열 하중에 의하여 소성변형이 발생하지만 외피 구조물은 연소가스의 내부 압력 및 열적인 하중 조건에서 탄성변형을 하므로 재생냉각 챔버가구조적으로 안정함을 확인하였다.
- 03%로 감소하였다. 비록 연소 가스와 접하는 냉각 채널 부는 외피 구조물에 의한 기하학적인 구속특성과 열 하중에 의하여 소성변형이 발생하지만 외피 구조물은 연소가스의 내부 압력 및 열적인 하중 조건에서 탄성변형을 하므로 재생냉각 챔버가구조적으로 안정함을 확인하였다.
- 본 연구에 사용한 점소성 모델의 재료상수를 구하기 위하여 여러 온도 조건에서 구리합금에 대한 변형률 속도 시험을 수행하였다. 시험결과 연소기 재생냉각 채널부의 재료로 사용하는 구리합금은 상온, 473 K, 및 673 K 까지는 변형률 속도 영향이 크게 나타나지 않았으나 773 K에서 변형률 속도 영향이 크게 나타나고 있음을 확인할 수 있었다.
- 구조해석을 수행하였다. 해석 결과냉각 채널 두께가 1.0 mm 와 1.5 mm인 두 가지 형상의 재생냉각 챔버 모두 연소기 작동조건에서 열/구조적으로 안정하게 작동할 수 있음을 확인할 수 있었다. 그러나 연소 가스와 냉각 유체가 접하는 영역에서 두 형상 모두 약 1.
- 시험 결과 상온에서는 변형률 속도가 변화하였을 때 변형률이 약 1%까지 유동응력은 변화가 없었으며 변형률이 1% 이상으로 증가함에 따라 유동응력의 차이가 점진적으로 증가하는 경향이 나타났다. 시험온도 473 K에서 변형률 속도에 대한 영향은 상온시험 결과와 큰 차이는 없었다.
후속연구
- 냉각 채널에서 이러한 큰 소성변형의 발생은 재생냉각 챔버의 저주기 피로파괴와 많은 연관이 있다. 따라서 향후에는 이러한 결과를 바탕으로 연소기의 피로 수명을 예측할 수 있는 연구를 수행할 예정이다.
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