[논문]HDPE 관의 TEE 성형에 대한 유한요소해석

왕창범; 송두호; 박용복

HDPE 관의 TEE 성형에 대한 유한요소해석
Finite Element Analysis of TEE Forming for HDPE Pipe 원문보기

본 논문에서 HDPE 관의 일체형 TEE성형 공정은 강소성 유한요소 해석 프로그램인 DEFORM-3D를 이용하여 해석을 하였다. 이중 보온관에서 외관으로 사용되는 HDPE 관은 관을 통하여 흐르는 온수의 온도를 유지하기 위한 관으로, TEE는 주관에 가지관을 연결하여 열의 수송방향을 바꾸는 역할을 한다. TEE제작에 압출 용접(Extrusion Welding)을 사용하는 기존의 방법으로는 이음부에서 강도가 취약한 문제점이 발생하기 때문에 HDPE 관을 성형시켜 TEE 형태로 일체화시킨 후에 맞대기 용접(Butt Welding)을 하는 방식을 제안하였다. 열간과 냉간 성형 실험을 실시하였고, 초기 구멍 형태에 따른 모델 파라미터가 강소성 유한요소해석에 의해 규명되어 졌으며, 이는 실제의 제품 제조 공정에 적용되어 졌다.

TEE Forming process for HDPE(High Density PolyEthylen) pipe has been analyzed by using rigid plastic finite element code, DEFORM-3D. TEE of HDPE pipes is necessary to connect main pipe with branch pipe and change the flow direction of hot water. A HDPE pipe is used as a insulator to maintain the temperature of hot water A butt welding process through TEE forming for a HDPE pipe is a updated process improving the strength of welding part compared to conventional extrusion welding process. The Experiment of Hot and Cold Forming have been performed. The design parameters such as a initial hole shape have been obtained through rigid-plastic finite element analysis, which is applied to the actual manufacturing process.

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문제 정의

본 논문에서는 TEE의 최적성형을 위하여 가열여부, 인발 펀치의 설겨L 최적 초기 구멍 형상 및 인발된 부위의 두께 균일화로부터 주관과 가지관의 유효 용접면적을 증가시킴으로써 작업의 단순화와 생산성을 도모하는 방법도 종합적으로 연구하였다.

가설 설정

해석하였다. 성형 제품의 기하학적 특성상 대칭 조건을 이용하여 전체의 1/4 만을 해석하면 충분하고 그림 8 과 같이 펀치와 다이는 강체로 가정하고, 소재에 대해서만 유한요소 격자(Tetrahedron element)를 구성하였고, HDPE의 내경과 외경의 길이는 표 1과 같다. HDPE 소재는 금속과 달리 항복응력이 일반적으로 잘 정의되어 있지 않아, 탄성과 소성변형 범위가 명확하게 구별되지 않으나, 많은 문헌[5~9]을 참조하여 주관의 응력과 변형도관계를 식(1)과 같이 선정하였다.

제안 방법

3. 변형후의 잔류응력이 크기 때문에 인발 구멍의 크기가 감소하여 주관의 인발 부분을 맞대기 용접을 할 수 없게 되는 문제점이 있어 변형 후 링을 삽입하여 잔류응력으로 인한 변형량을 최소화하는 방식을 도입하였다.
성형 제품의 기하학적 특성상 대칭 조건을 이용하여 전체의 1/4 만을 해석하면 충분하고 그림 8 과 같이 펀치와 다이는 강체로 가정하고, 소재에 대해서만 유한요소 격자(Tetrahedron element)를 구성하였고, HDPE의 내경과 외경의 길이는 표 1과 같다. HDPE 소재는 금속과 달리 항복응력이 일반적으로 잘 정의되어 있지 않아, 탄성과 소성변형 범위가 명확하게 구별되지 않으나, 많은 문헌[5~9]을 참조하여 주관의 응력과 변형도관계를 식(1)과 같이 선정하였다. 마찰계수는 μ= 0.
TEE의 성형공정상의 특징 때문에 주관에는 펀치를 잡아 끌 수 있도록 초기에 구멍을 만들어 주어야 하는데, 본 연구에서는 표 2와 같이 초기 구멍의 형상을 원형과 원주방향으로 장축을 갖는 타원형과 축방향으로 장축을 갖는 타원형으로 지름의 길이에 따라 그림 11과 같이 해석을 수행하였다.
그림 4 와 같이 가열시킬 부위에 열풍을 적절히 분사시켜 가열 후 성형한 경우 그림 5 처럼 양호한 제품의 제작이 가능한 것으로 확인되었으나, 냉간 성형에 비해 기본적으로 가열공정이 추가됨으로서 발생하는 재료의 미세한 조직 및 물성치 변화에 대한 품질 인증이 어렵고 작업 특수성으로 인하여 균일한 제품의 생산에 대한 확실한 보장이 없기 때문에 작업의 표준화 및 품질의 균일성이 확실히 보장될 수 있는 냉간 성형 방식에 대해 실험을 수행하였다.
실험 결과 주관의 진원도를 유지하기 위해서는 초기 주관의 반경과 같은 반경을 갖는 다이가 필요함을 확인하였다. 또한 변형 후의 잔류응력이 크기 때문에 가지관 구멍의 크기가 감소하여 주관의 인발 부분을 맞대기 용접 할 수 없게 되는 문제점이 있어 그림 7 처럼 변형 후 링을 삽입하여 잔류응력으로 인한 변형량을 최소화하는 방식을 도입하였다.
본 연구는 TEE의 성형을 다루고 있는데, 주관(Main pipe)과 가지관(Branch pipe) 사이의 연결부위에 사용되어진다. 이 부분은 관을 통하여 흐르는 유체의 압력 및 온도, 태양열과 지열에 의한 관의 수축/팽창으로 인한 결함이 많이 발생하기 때문에 제품의 품질검사가 엄격히 시행되고 있다.
상온에서 펀치를 이용하여 TEE를 성형하기 위해서는 변형하중이 상당히 크기 때문에 가압용 프레스에 의해 제품성형을 하였으며, 다양한 크기의 주관에 대응하기 위해 그림 6 에서 보는 바와 같이 충분히 큰 곡률을 가진 다이를 제작하여 실험을 수행하였다. 실험 결과 주관의 진원도를 유지하기 위해서는 초기 주관의 반경과 같은 반경을 갖는 다이가 필요함을 확인하였다.
인발 TEE의 성형방법으로서 열간성형과 냉간성형을 제시하였으며, 각각에 대한 연구에서 얻어진 결론은 다음과 같다.

대상 데이터

HDPE 소재는 금속과 달리 항복응력이 일반적으로 잘 정의되어 있지 않아, 탄성과 소성변형 범위가 명확하게 구별되지 않으나, 많은 문헌[5~9]을 참조하여 주관의 응력과 변형도관계를 식(1)과 같이 선정하였다. 마찰계수는 μ= 0.1 로 하였고 절점과 요소의 갯수는 각각 5404개, 16462개이다.

이론/모형

본 연구에서는 상업용 유한요소 해석 프로그램인 DEFORM-3D[4]를 이용하여 강소성 유한요소법으로 공정을 해석하였다. 성형 제품의 기하학적 특성상 대칭 조건을 이용하여 전체의 1/4 만을 해석하면 충분하고 그림 8 과 같이 펀치와 다이는 강체로 가정하고, 소재에 대해서만 유한요소 격자(Tetrahedron element)를 구성하였고, HDPE의 내경과 외경의 길이는 표 1과 같다.

성능/효과

1. 열간성형은 형상면에서 비교적 만족스러운 제품을 얻을 수 있었으나, 냉간 성형에 비해 공정이 추가됨으로서 발생하는 재료의 미세한 조직 및 물성치 변화에 대한 품질 인증이 어렵고, 균일한 제품의 생산에 대한 확실한 보장을 할 수 없는 단점이 있다.
2. 냉간성형은 상온에서 작업이 진행되는데, 진원도를 유지하기 위해서는 주관의 반경과 같은 반경을 갖는 다이가 필요함을 확인하였으며, 그러한 결과는 본 성형해석에서도 확인되었다.
4. 주관에 만들어 주는 초기 구멍 형상은 축방향으로 장축을 갖는 타원형 형상의 구멍이 인발 되는 높이가 균일함에 따라 두께의 균일성을 보장하며 초기 구멍이 커짐에 따라 인발 되는 높이가 작아지는 것을 알 수있다.
5. 초기 구멍 형상에 따른 성형 하중이 거의 비슷하였으며, 그 중에서 초기 구멍의 크기를 더 크게 하는 것이 하중의 감소와 두께의 증가를 가져와 품질을 보장한다.
제작하여 실험을 수행하였다. 실험 결과 주관의 진원도를 유지하기 위해서는 초기 주관의 반경과 같은 반경을 갖는 다이가 필요함을 확인하였다. 또한 변형 후의 잔류응력이 크기 때문에 가지관 구멍의 크기가 감소하여 주관의 인발 부분을 맞대기 용접 할 수 없게 되는 문제점이 있어 그림 7 처럼 변형 후 링을 삽입하여 잔류응력으로 인한 변형량을 최소화하는 방식을 도입하였다.

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