[논문]CAE에 기반한 DACE 모델을 이용한 버터플라이밸브 디스크의 최적설계

박영철; 강정호; 이종문; 강진

CAE에 기반한 DACE 모델을 이용한 버터플라이밸브 디스크의 최적설계
Optimization of Butterfly Valve's Disc Using the DACE Model Based on CAE 원문보기

韓國海洋工學會誌 = Journal of ocean engineering and technology, v.20 no.3 = no.70, 2006년, pp.96 - 102

박영철 (동아대학교 기계공학과) , 강정호 (동아대학교 기계공학과) , 이종문 (동아대학교 대학원 기계공학과) , 강진 (동아대학교 대학원 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The butterfly valve has been used to control the switch and flux of fluid. While research about the characteristics of butterfly valve fluid have been done, study of the optimum design, considering structural safety, must keep pace with it. Thus, a method is proposed for an optimum butterfly valve. Initially, the stability of the butterfly valve, using FEM and CFD, is evaluated, and a variable is selected using the initial analysis results. Also, the shape optimization design is accomplished using the DACE model. In terms of research results, the experiment satisfied the objective and limitation functions.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

만족하는 최적설계의 수행이다. 따라서, 구조적 안전성을 위한 응력과 유량특성을 위한 압력손실계수를 제한함수로 두고, 버터플라이밸브의 가장 큰 장점인 중량의 최소화를 목적함수로 설정하였다. 본 논문에서 디스크를 최적화시키기 위하여 응력의목표값을 안전율 1.
(2005)은 버터플라이밸브의 유동 특성을 고려하여 특성함수의 개념을 도입하여 최적설계를 수행하였으나, 이는 직교배열표에 의하여 정해진 설계변수들의 수준 수를 최적 조합으로 맞추기만 할뿐, 정확한 최적해의 도출은 불가능하였다. 따라서, 본 논문에서는 설계변수가 많거나 비선형성을 띄는 문제에 적합하며 실제 성능 함수값을 정확히 예측할 수 있는 근사모델을 크리깅(Kriging) 방법으로 알려진 DACE (Design and analysis of computer experiments, 전산실험계획) 를 이용하여 구성함으로써 버터플라이밸브의 최적설계를 수행하였다. DACE 모델은 직교배열표로는 고려할 수 없는 제한조건함수를 고려할 뿐만 아니라, 유동특성인 압력손실계수와 구조적 특성인 응력을 동시에 고려할 수 있다.
본 논문의 목적은 밸브의 유량특성을 고려하여 구조적 안전성을 만족하는 최적설계의 수행이다. 따라서, 구조적 안전성을 위한 응력과 유량특성을 위한 압력손실계수를 제한함수로 두고, 버터플라이밸브의 가장 큰 장점인 중량의 최소화를 목적함수로 설정하였다.
본 연구에서는 유동해석 및 구조해석의 수행을 통하여 버터플라이 밸브의 유동특성을 파악하고 구조적 안전성을 만족하기 위한 전산실험계획에 의한 디스크의 최적설계를 수행하였다. 결과를 정리하면 다음과 같다.

제안 방법

(1) 직교배열표와 DACE 모델을 사용하여 복잡한 밸브 디스크의 유동특성을 18회의 해석으로 평가가 가능하였다.
DACE 모델을 이용하여 버터플라이밸브를 최적설계한 결과를 신뢰성 검증을 위하여 최적해를 적용한 모델을 재해석하였다.
얻어서 DACE 모델이 구성된다. 그리고 구해진 각각의 DACE 모델을 엑셀 프로그램의 해 찾기(Excel solver) 기능을 이용하여 최적해를 구하였다. A=7mm, C=18.
유동해석을 위한 내부 유체는 상온(20°C)의 물을 사용하였고, 유 동장은 난류유동 모델인 벽함수(Wall furmction)를 사용하는 €모델을 이용하여 계산하였다. 그리고 난류 관운동에 대한 마찰계수는 레이놀드수와 상대조도에 의존하나 해석에서는 실제로 설치될 밸브와 연결되는 모든 관에 대하여 고려할 수 없기 때문에 매끈한 관이라 설정하고 해석을 수행하였다. 밸브 입구 속도는 미국수도협회(AWWA)의 규정 최고속도인 16ft/s (4.
모델을 적용하였다. 따라서, 설계변수 및 수준수를 이전논문과 동일하게 선정하여 최적화를 수행하였다. 초기 디스크 모델의 해석 결과를 바탕으로 응력과 유체의 흐름에 영향을 미치는 디스크의 각 부위에 설계변수 A, B, C, D, F, G의 6곳을 선정하여 Fig.
1 을 이용하였으며, 사용요소는 Ten-node tetrahedron 요소를 사용하였다. 또한, 압력손실계수의 도출을 위한 유동해석은 범용 CFD 프로그램인 CFX 5.7을 이용하였으며, 사용요소는 Tetrahedron과 Prism요소를 사용하였다. Fig.
또한, 최소한의 실험 횟수로 많은 횟수의 실험을 수행한 효과를 얻기 위하여 직교배열표를 이용하여 실험을 배치하였다. 이때 직교배열표는 /48(2奴37) 직교배열표를 선택하였다.
버터플라이밸브의 최적설계를 위하여 직교배열표에 의한 실험 계획에 따라 구조해석을 수행하여 얻어낸 실험점에서의 해를 DACE 모델에 적용하여 최적의 설계변수 값을 찾았다. DACE 모델의 수식 계산은 Microsoft Excel 프로그램을 사용하였다.
3은 Kim and Hwang (1993)에 의하여 밸브 배관의 유동이 완전히 발달하는 밸브 직경 D의 10배 거리를 적용하여 모델링한 후 유동해석을 위하여 경계조건을 적용한 모습을 나타내고 있다. 유동모델은 XY 평면에 대하여 대칭을 이루고 있기 때문에 1/2 모델링하여 대칭면에 Symmetry 구속을 주었다. 유동해석을 위한 내부 유체는 상온(20°C)의 물을 사용하였고, 유 동장은 난류유동 모델인 벽함수(Wall furmction)를 사용하는 €모델을 이용하여 계산하였다.
5에서는 초기 형상의 유동해석 결과를 나타내었다. 유동특성 중 하나인 압력손실계수를 구하기 위하여 밸브를 Full open(90°)하였을 때 발생하는 압력과 속도를 나타내었다. 압력은 유체가 디스크를 통과하면서 감소하는 경향을 나타내고 속도는 디스크를 통과할 때 관로가 좁아지기 때문에 증가하였다가 디스크를 통과하게 되면 다시 감소하는 것을 알 수 있다.
DACE 모델은 직교배열표로는 고려할 수 없는 제한조건함수를 고려할 뿐만 아니라, 유동특성인 압력손실계수와 구조적 특성인 응력을 동시에 고려할 수 있다. 이를 통하여 정량적인 최적해를 도출하였을 뿐만 아니라, 도출된 최적해를 적용한 모델의 해석으로 최적 기법 적용 결과를 검토함으로써 최적 기법의 신뢰성을 평가하였다.
이전의 논문에서 특성함수를 이용하여 버터플라이밸브의 디스크를 최적화하였다 (Park et al.z 2005). 초기 모델은 그때와 동일하므로 모델 및 해석 방법은 동일하게 하였다.

대상 데이터

965MPa)< 적용하였다. 그리고 디스크의 사용 재료인 ASTM A296 CF8M의 물성값인 £=193xl03 MPa, 戶0.27 을 사용하였다.
설계변수는 2열에서 7열까지 배치하였으며, 나머지 열은 오차항으로써 배치하였다. 그리고 특성치로서 최대응력, 압력손실계수와 중량을 선정하였다.

데이터처리

DACE 모델의 수식 계산은 Microsoft Excel 프로그램을 사용하였다.
응력 도출을 위한 구조해석은 범용 유한요소해석 프로그램인 ANSYS 8.1 을 이용하였으며, 사용요소는 Ten-node tetrahedron 요소를 사용하였다. 또한, 압력손실계수의 도출을 위한 유동해석은 범용 CFD 프로그램인 CFX 5.

이론/모형

그리고 난류 관운동에 대한 마찰계수는 레이놀드수와 상대조도에 의존하나 해석에서는 실제로 설치될 밸브와 연결되는 모든 관에 대하여 고려할 수 없기 때문에 매끈한 관이라 설정하고 해석을 수행하였다. 밸브 입구 속도는 미국수도협회(AWWA)의 규정 최고속도인 16ft/s (4.8768m/s)를적용하였고, 출구는 대기압으로 설정하였다.
본 논문에서는 성능함수의 근사함수를 구성하기 위하여 크리깅 기법으로 알려진 DACE 모델을 이용하였다. DACE 모델에서는 전역적 근사화 모델이 다음과 같이 구성된다.
본 연구에서는 이전의 논문에서 특성함수를 이용하여 최적화를 수행한 버터플라이밸브의 정량적 최적해를 구하기 위하여 DACE 모델을 적용하였다. 따라서, 설계변수 및 수준수를 이전논문과 동일하게 선정하여 최적화를 수행하였다.
유동모델은 XY 평면에 대하여 대칭을 이루고 있기 때문에 1/2 모델링하여 대칭면에 Symmetry 구속을 주었다. 유동해석을 위한 내부 유체는 상온(20°C)의 물을 사용하였고, 유 동장은 난류유동 모델인 벽함수(Wall furmction)를 사용하는 €모델을 이용하여 계산하였다. 그리고 난류 관운동에 대한 마찰계수는 레이놀드수와 상대조도에 의존하나 해석에서는 실제로 설치될 밸브와 연결되는 모든 관에 대하여 고려할 수 없기 때문에 매끈한 관이라 설정하고 해석을 수행하였다.

성능/효과

(2) 버터플라이밸브 최적화 문제에 DACE 모델을 적용할 경우 효율적인 최적화 수행이 가능함을 확인하였다. 초기모델과 비교하여 약 9%의 중량 감소율을 얻으면서, 응력과 압력손실계수의 제한조건을 충분히 만족하는 최적화된 새로운 형상의 모델을 구해낼 수 있었다.
최적화 수행이 가능함을 확인하였다. 초기모델과 비교하여 약 9%의 중량 감소율을 얻으면서, 응력과 압력손실계수의 제한조건을 충분히 만족하는 최적화된 새로운 형상의 모델을 구해낼 수 있었다.
4에는 초기 형상 디스크의 구조해석 결과를 나타내었다. 해석결과에서 알 수 있듯이 디스크와 스템 결합부로 두께가 얇아지기 시작하는 부위에서 최대응력이 발생하였으며, 그 값은 113.47MPa 이다. 그리고 Fig.

참고문헌 (13)

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상세보기
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Ryu, J.S., Kim, M.S., Cha, K,J., Lee, T.H., and Choi, D.H. (2002). 'Kriging Interpolation Methods in Geostatistics and DACE Model', KSME International Journal, Vol 16, No 5, pp 619-632
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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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