본 논문은 LPG 충전노즐의 밀봉성능에 밀접한 관련을 맺고 있는 구형 그루브와 도브테일 그루브에 장착된 O-링의 최적화 설계를 위해 수행된 연구이다. O-링 그루브에 대한 최적설계 해석결과를 얻기 위해 비선형 유한요소해석 프로그램 MARC와 다구찌 설계법을 이용하였다. O-링을 최적의 조건으로 설치할 수 있도록 설계하기 위해 4개의 그루브 모델과 3개의 소재를 고려하였다. 그루브의 설계 파라미터로 폴리머 소재, 그루브의 깊이와 폭, O-링의 직경을 선정하였다. FEM 해석결과에 의하면, 최적설계에 가장 큰 영향을 미치는 기여도는 O-링의 직경과 소재특성으로 그루브의 폭, 깊이, 압축률에 비하여 높다는 사실을 알 수 있다. 가스 공급압력 1.764MPa에 적합한 O-링을 안전하게 설치되어야 할구형 그루브는 모델 3이, 그리고 도브테일 그루브는 모델 4가 가장 우수한 것으로 해석되었다.
본 논문은 LPG 충전노즐의 밀봉성능에 밀접한 관련을 맺고 있는 구형 그루브와 도브테일 그루브에 장착된 O-링의 최적화 설계를 위해 수행된 연구이다. O-링 그루브에 대한 최적설계 해석결과를 얻기 위해 비선형 유한요소해석 프로그램 MARC와 다구찌 설계법을 이용하였다. O-링을 최적의 조건으로 설치할 수 있도록 설계하기 위해 4개의 그루브 모델과 3개의 소재를 고려하였다. 그루브의 설계 파라미터로 폴리머 소재, 그루브의 깊이와 폭, O-링의 직경을 선정하였다. FEM 해석결과에 의하면, 최적설계에 가장 큰 영향을 미치는 기여도는 O-링의 직경과 소재특성으로 그루브의 폭, 깊이, 압축률에 비하여 높다는 사실을 알 수 있다. 가스 공급압력 1.764MPa에 적합한 O-링을 안전하게 설치되어야 할구형 그루브는 모델 3이, 그리고 도브테일 그루브는 모델 4가 가장 우수한 것으로 해석되었다.
This paper presents the optimized design of O-rings with a rectangular groove and dovetails, which are strongly related on the sealing performance of LPG filling unit. The computed results on the optimal design are analyzed by non-linear MARC finite element program with Taguchi method. O-rings with ...
This paper presents the optimized design of O-rings with a rectangular groove and dovetails, which are strongly related on the sealing performance of LPG filling unit. The computed results on the optimal design are analyzed by non-linear MARC finite element program with Taguchi method. O-rings with 4 different groove models are analyzed for 3 different elastomeric materials. The design parameters are given to polymer materials, groove depth, groove width, and diameter of O-rings. The FEM computed results showed that the affection ratios of O-ring diameter and material property are the most influential parameter among the groove width, groove depth, and compression ratio. Thus, this paper recommends model III for a rectangular groove and model IV for a dovetail groove with a given gas supply pressure of 1.764 MPa.
This paper presents the optimized design of O-rings with a rectangular groove and dovetails, which are strongly related on the sealing performance of LPG filling unit. The computed results on the optimal design are analyzed by non-linear MARC finite element program with Taguchi method. O-rings with 4 different groove models are analyzed for 3 different elastomeric materials. The design parameters are given to polymer materials, groove depth, groove width, and diameter of O-rings. The FEM computed results showed that the affection ratios of O-ring diameter and material property are the most influential parameter among the groove width, groove depth, and compression ratio. Thus, this paper recommends model III for a rectangular groove and model IV for a dovetail groove with a given gas supply pressure of 1.764 MPa.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 LPG 충전노즐의 내측경에 장 착되는 0-링의 접촉면압을 작동조건에 적합하도록 최 적설계를 수행하여 O-링의 밀봉력과 내구성을 동시에 확보토록 한다. 이를 위해 0-링 및 그루브 형상에 적합한 유한요소법 및 다구찌 설계법을 적용하였다.
본 논문은 축방향으로 삽입되는 LPG 충전노즐의 밀 봉안전성을 확보하기 위해 내측실린더에 설치되는 0- 링의 구형 그루브와 도브테일 그루브 형상에 대한 최 적설계를 FEM과 다구찌법으로 해석하였다.
가설 설정
4는 두 가지 그루브 타입에 대한 유한요소 해석 모델을 나타낸 것으로, 0-링과 충전노즐의 내경부, 충 전니플의 외경부 접촉형상을 간단하게 보여주고 있다. 여기서 0-링을 제외한 부분은 모두 황동(brass)으로 제 작되었기 때문에 탄성중합체 소재인 0-링에 비교하여 변형이 없다할 수 있으므로 황동소재는 강체로 정의되 고, 0-링은 변형체로 가정하였다.
제안 방법
LPG의 누출없이 안전하게 공급하기 위해 충전노즐 의 내경측에 O-링을 장착하여 충전니플의 선단부가 충 전노즐의 내측경을 따라서 삽입되고, 이후로 완벽하게 체결된 상태에서 LPG를 공급할 경우 LPG의 외부누출 을 차단한다. 따라서 0-링의 손상이나 불완전한 압축은 LPG 연료의 충전효율을 떨어뜨리고, 가스누출에 의한 대기오염 및 경제적 손실을 일으킨다.
이를 위해 0-링 및 그루브 형상에 적합한 유한요소법 및 다구찌 설계법을 적용하였다. 결국 0-링이 설치될 구형 그루브(rectangular groove)와 도브 테일 그루브(dovetail groove)의 두 가지에 대한 최적 설계를 통하여 사용조건에 가장 적합한 0-링을 설계 하였다.
따라서 그루브에 장착된 0-링에서 발생하는 Cauchy 응력, 변형률과 같은 특성치가 작으면 좋은 SN비를 사용하는 망소특성과 접촉수직응력과 같이 클수록 좋은 밀봉성능을 나타내는 망대특성을 각각 적용하였다. SN 비는 큰 경우가 그 때의 파라미터들이 응력과 변형률 에 대하여 안정되고, 우수한 밀봉성능을 유지할 수 있어 효과적이다.
본 연 구에 사용된 0-링은 KS W 1526(항공기용 패킹 및 가 스컷!)이고, 사용된 소재는 NBR로 탄성력이 우수하고, 특히 내액화석유가스성을 유지한다. 또한 0-링의 소재 로 널리 사용한다는 바이톤(viton) 및 EPDM 소재를 사용하여 소재에 따른 밀봉특성을 고찰하였다.
비선형 유한요소해석은 2차원 축대칭모델로 정의되 고, 모든 요소들은 축대칭 4각요소를 사용하였으며, 모 델링 해석은 MSC/MENTAT과 MSC/MA职C를 각각 사 용하였다 [5].
이론/모형
Table 2에서는 다구찌법으로 해석하기 위해 3수준계 직교배열표를 사용하였고, 최종모델은 각 타입당 9개씩 선정하였다. 그 때 0-링의 압축률은 Table 3에서 제시한 것처럼 다양하게 선정하였다.
따라서 본 연구에서는 LPG 충전노즐의 내측경에 장 착되는 0-링의 접촉면압을 작동조건에 적합하도록 최 적설계를 수행하여 O-링의 밀봉력과 내구성을 동시에 확보토록 한다. 이를 위해 0-링 및 그루브 형상에 적합한 유한요소법 및 다구찌 설계법을 적용하였다. 결국 0-링이 설치될 구형 그루브(rectangular groove)와 도브 테일 그루브(dovetail groove)의 두 가지에 대한 최적 설계를 통하여 사용조건에 가장 적합한 0-링을 설계 하였다.
성능/효과
모델 A 의 경우를 나타낸 Fig. 7(a)는 60% 정도의 최대변형률 을 보여준 5번 모델을 제외하고는 모두 35% 이하의 최 대변형률을 보여준다. 반면에 도브테일 그루브의 0-링 에 대한 Fig.
해석결과에 의하면, 구형 그루브에 장착된 A타입 O- 링의 경우는 3번 모델, 도브테일 그루브에 조립된 B타 입 O-링의 경우는 4번 모델이 각각 우수한 설계모델로 해석되었다. 이들 그루브 형상에 따른 0-링의 설계는 최소한 가스압력을 모두 만족하기 때문에 밀봉성, 가공 성, 내구성 등을 고려하는 것이 바람직하다.
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