[논문]자긴가공된 복합실린더의 기계가공해석

박재현; 김재훈; 차기업; 홍석균; 이영신

doi:10.3795/ksme-a.2007.31.7.800

자긴가공된 복합실린더의 기계가공해석
Machining Analysis of the Autofrettaged Compound Cylinder 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.31 no.7 = no.262, 2007년, pp.800 - 807

박재현 (충남대학교 대학원 기계설계공학과 BK21 메카트로닉스사업단) , 김재훈 (충남대학교 대학원 기계설계공학과 BK21 메카트로닉스사업단) , 차기업 (국방과학연구소) , 홍석균 (국방과학연구소) , 이영신 (충남대학교 기계설계공학과 BK21 메카트로닉스사업단)

Abstract ▼ AI-Helper

Autofrettage process is used for internal forming and sizing of cylinder designed to withstand high internal pressures. Once the tube is autofrettaged, it needs to be machined to its final dimensions both at the bore and its outer surface. This paper presents an analytical analysis and numerical analysis of machined compound cylinder using finite element code, ANSYS10.0. An analytical model for predicting the level of autofrettage following either inner, outer, or combined machining of the compound cylinder is developed for the autofrettage residual stress field is simulated by an autofrettaged pressure. The autofrettaged pressures are obtained by using trying-error method. As autofrettage percentage is 20 % and 40 %, the numerical results are found to be in almost agreement with the analytical ones. However, as autofrettage percentage is 60 %, the numerical results have a little difference with the analytical ones.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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

문제 정의

고승기, 이송인, 정세희 등은齢)1995년 두꺼운 실린더의 잔류응력과 피로수명예측에 관한 연구하였다. 그리고 2007년 이영신, 박재현, 김재훈 등은。) 복합실린더에 대한 이론해석 및 바우싱거의영향에 대해 연구하였다.
본 연구에서는 자긴가공된 이 중 후육실린더의 응력해석에 대한 연구를 수행하였다. 먼저 내 .
실린더를 이중으로 하는 이유는 피로수명을 늘릴 수 있는 방법으로 압력용기 분야에 많이 쓰인다(8) 본 연구에서는 자긴가공된 이 중 후육실린더의 응력해석에 대한 연구를 수행하였다. 먼저 내 .

가설 설정

이 해석을 위해 자긴가공과 내경, 외경의 기계 가공이 고려되었다. 이론응력해석을 위해 평면응력상태(% =0)라 가정하고 이론해석을 수행하였다.

제안 방법

이러한 모델은 ANSYS 유한요소 프로그램의 2차원 4절점 사각형요소를 이용하여 얻어졌으며, 간섭을 받고 있는 접촉면은 2차원 접촉요소(2-D contact element)를 이용하여 모델링 되었다. 내 외경 기계가공해석을 위한 모델링은 내경, 외경의 수치를 바꾸어가면서 해석을 수행하였다.
대한 연구를 수행하였다. 먼저 내 외경 기계 가공된 복합실린더의 이론 해석을 수행하였다. 다음으로는 내.
외경 기계가공된 복합실린더의 유한요소해석을 수행하였다. 복합실린더의 소성가공 영역은 유한요소해석을 통해 소성일 에너지(Plastic work energy)가 전파하는 영역을 고찰한 후 소성가공도를 예측할 수 있었다. 이러한 자긴압력은 시행착오법(trial-error method)를 통해 결정할 수 있었다.
본 연구에서는 상용 유한요소해석 프로그램인 ANSYS 10.0을 이용하여 유한요소 모델링을 수행하였다. Fig.
시행착오법(trial-error method)을 적용하여 20 %, 40%, 60 % 자긴가공에 대한 유한요소해석을 수행하였다. Fig.
다음으로 내.외경 기계가공된 복합실린더의 유한요소해석을 수행하였다. 복합실린더의 소성가공 영역은 유한요소해석을 통해 소성일 에너지(Plastic work energy)가 전파하는 영역을 고찰한 후 소성가공도를 예측할 수 있었다.
먼저 내 . 외경 기계가공된 복합실린더의 이론해석을 수행하였다. 다음으로 내.
1 mm 공차로 인한 간섭으로 반력을 받고 있는 상태를 나타낸다. 이러한 모델은 ANSYS 유한요소 프로그램의 2차원 4절점 사각형요소를 이용하여 얻어졌으며, 간섭을 받고 있는 접촉면은 2차원 접촉요소(2-D contact element)를 이용하여 모델링 되었다. 내 외경 기계가공해석을 위한 모델링은 내경, 외경의 수치를 바꾸어가면서 해석을 수행하였다.
두꺼운 실린더에 대한 자긴가 공 후의 두께에 따른 불균일한 탄성 회복에 의하여 내경부근에 압축잔류응력과 외경 부근에 인장 잔류응력이 유도된다. 이러한 실린더를 두 개의 실린더로 열박음 가공과 자긴가공을 수행한 후, 기계가공에 따른 이론응력해석을 수행하였다. Fig.

이론/모형

복합실린더의 소성가공 영역은 유한요소해석을 통해 소성일 에너지(Plastic work energy)가 전파하는 영역을 고찰한 후 소성가공도를 예측할 수 있었다. 이러한 자긴압력은 시행착오법(trial-error method)를 통해 결정할 수 있었다.

성능/효과

(1) 내경과 두께를 갖는 단일실린더와 복합실린더의 접선방향 잔류응력분포에서 복합실린더가 단일 실린더보다 내부실린더에서는 100~250 MPa 정도 높은 압축잔류응력을 보이고, 외부 실린더에서는 평균 70~100 MPa 정도의 높은 인장 잔류응력을 보인다. 이는 복합실린더의 열박음으로 인해 잔류응력 분포의 차이가 생기는 것이다.
(2) 내경, 외경의 기계가공에 따른 응력분포의 차이는 거의 나지 않지만, 내경, 외경을 둘 다 함께 기계가공한 경우에는 복합실린더의 두께가 얇아지므로 한쪽만 기계가공한 경우보다 최대 100 Mea정도 작은 분포를 나타내는 것을 알 수 있다.
(3) 20 %, 40 % 자긴가공시에는 이론해석과 유한요소해석 잔류응력분포는 거의 일치하지만, 60 % 자긴가공시에는 50~100 MPa 정도의 오차가 나다나는 것을 알 수 있다. 이것은 소성반경 p를 결정하는 과정에서 불연속면으로 인한 정확한 소성반경의 결정이 어렵기 때문에 이러한 오차가 나타나는 것으로 보인다.
세 그래프에서 볼 수 있듯이 내경, 외경의 기계 가공에 따른 응력분포의 차이는 거의 나지 않지만, Fig. 12의 내경, 외경을 둘 다 함께 기계 가공한 경우에는 복합실린더의 두께가 얇아지므로 한쪽만 기계가공한 경우보다 최대 100 MPa 정도 작은 분포를 나타내는 것을 알 수 있다.
위 그래프를 보면 세 그래프 모두 20 %, 40 % 자긴가공 시에는 이론해석과 유한요소해석 잔류응력 분포는 거의 일치하는 것을 볼 수 있다. 물론, 실린더가 이중으로 되는 과정에서 생기는 불연속면에서는 약간의 오차가 나타난다.
자긴가공된 단일실린더에 대한 응력 및 피로수명예측은 고승기 등°)에 의해 수행되었다. 이 그래프에서 알 수 있듯이, 복합실린더가 단일실린더보다 내부실린더 에서 는 100-250 MPa 정도 높은 압축잔류응력을 보이고, 외부 실린더에서는 평균 70-100 MPa 정도의 높은 인장 잔류응력을 보인다. 이는 복합실린더의 열박음으로 인해 잔류응력 분포의 차이가 생기는 것이다.
8은 소성가공도의 변화의 따라 소성일 에너지의 분포를 보여준다. 해석의 결과로 20 % 자긴가 공시 내압은 560 MPa이며, 40 % 자긴가 공시 내압은 620 MPa이다. 또한, 60 %로 자긴가공 할 때 필요한 내압은 675 MPa이 얻어졌다.

참고문헌 (10)

Hill, R., Lee, E.H. and Tupper, S.J., 1947, 'The Theory of Combined Plastic and Elastic Deformation with Particular Reference to a Thick tube under Internal Pressure,' Proc. Royal Society, London, Ser. A., Vol. 191, pp. 278-303

상세보기
Kim, C.W. and Lee, Y.S., 1977, 'Elastic-plastic Analysis of the Autofrettage Process by a echanical-push Swaging,' Trans. of the KSME, Vol. 1, No.1, pp. 40-47
Koh, S.K., Kim, Y.I., Chung, S.H. and Lee, S.I., 1995, 'Stress Analysis and Fatigue Life Prediction of an Autofrettaged Thick Cylinder with Radial Holes,' Trans. of the KSME, Vol. 2, No.1, pp. 73-78
Lee, S.I .. , Kim, J.Y., Chung, S.H. and Koh, S.K., 1998, 'Fatigue Crack Propagation Life Evaluation of an Autofrettaged Thick-Walled Cylinder,' Trans. of the KSME, Vol. 22, No.2, pp. 321-329
Lee, Y.S., Park, J.H., Kim, J.H., Cha, K.U. and Hong, S.K., 2007, 'Bauschinger Effect's Influence on the Compound Cylinder containing an Autofrettaged Layer,' Key Engineering Materials, Vol. 345-346, pp. 149-152

상세보기
Perl, M., 2000, 'The Change in Overstrain Level Resulting from Machining of an Autofrettaged Thick-Walled Cylinder,' Trans. of the ASME, Journal of Pressure Vessel Technology, Vol. 122, pp. 9-14

상세보기
Troiano, E., Underwood, J.H. and Parker, A.P., 2006, 'Finite Element Investigation of Bauschinger Effect in High-Strength A723 Pressure Vessel Steel,' Trans. of the ASME, Journal of Pressure Vessel Technology, Vol. 128, No.2, pp. 185-189

상세보기
Jahed, H., Farshi, B. and Karimi, M., 2006, 'Optimum Autofrettage and Shrink-Fit Combination in Multi-Layer Cylinders,' Trans. of the ASME, Journal of Pressure Vessel Technology, Vol. 128, No.2, pp. 196-200

상세보기
De Swardt, R.R. and Andrews, T.D., 2006, 'Stress Analysis of Autofrettaged Midwall Cooled Compound Gun Tubes,' Trans. of the ASME, Journal of Pressure Vessel Technology, Vol. 128, No.2, pp. 201-207

상세보기
Ugural, A.C. and Fenster, S.K., 1995, 'Advanced Strength and Elasticity Third Edition,' N.Y

저자의 다른 논문 :

LOADING...

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증