[논문]단일 및 복합실린더에서 자긴가공 해석에 관한 연구

심우성; 김재훈; 이영신; 차기업; 홍석균

단일 및 복합실린더에서 자긴가공 해석에 관한 연구
A Study on the Autofrettage Analysis in Single and Compound Cylinders 원문보기

한국추진공학회지 = Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, v.12 no.4 = no.47, 2008년, pp.7 - 15

심우성 (충남대학교 기계설계공학과) , 김재훈 (충남대학교 기계설계공학과) , 이영신 (충남대학교 기계설계공학과) , 차기업 (충남대학교 기계설계공학과) , 홍석균 (국방과학연구소)

초록
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항공기 제작 시 중요한 요소는 항공기 구조의 안전성과 경량화라 할 수 있다. 자긴가공 공정을 통하여 고압의 항공기 부품을 신뢰성 증대와 함께 재료의 경량화도 같이 얻을 수 있다. 이 방법은 주로 단일 실린더에 적용되었다. 그러나 바우싱거 효과에 의하여 자긴가공의 유용함이 줄어든다. 바우싱거 효과를 줄이기 위한 억지 끼워맞춤과 자긴가공을 이용한 복합실린더에 대한 관심이 증대하고 있다. 본 연구에서 동일한 치수를 가진 단일 및 복합실린더를 고려하였다. 복합실린더에서 억지 끼워맞춤에 의하여 경계면에서 낮은 압축 잔류응력이 유도되며, 내경에서 보다 낮은 소성 변형률이 유도된다. 이는 바우싱거 효과를 줄여, 내경에서 더욱 유용한 잔류응력을 얻을 수 있음을 의미한다.

Abstract ▼ AI-Helper

In manufacturing aircraft, safety and lightness of structure are important factors. Utilizing autofrettage technique, these benefits can be obtained. This technique is most frequently applied to a single cylinder. However, the Bauschinger effect reduces the benefits of autofrettage process Therefore, there is increasing interest in the use of compound cylinder that combine shrink fit and autofrettage. In this paper, single and compound cylinders that has same geometry were considered. It was found that compound cylinder which was autofrettaged has lower tangential hoop stress and plastic strain than single cylinder at bore. This means a reduction in the impact of the Bauschinger effect after shrink-fitting which produces the beneficial bore hoop stress.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 SNCM8 고강도강의 인장 및 바우싱거 효과 실험을 하였다. 실험으로부터 얻은 기계적 특성을 이용하여, 동일한 자긴가공도에 따른 단일 실린더와 억지 끼워맞줌한 복합 실린더에 대한 자긴가공 해석을 수치해석 및 유한요소 프로그램을 이용하여 수행하였다.
실험으로부터 얻은 기계적 특성을 이용하여, 동일한 자긴가공도에 따른 단일 실린더와 억지 끼워맞줌한 복합 실린더에 대한 자긴가공 해석을 수치해석 및 유한요소 프로그램을 이용하여 수행하였다. 해석 결과로부터 내경에서 유도되는 압축 잔류응력과 소성 변형률의 크기를 비교하여 단일 실린더와 억지 끼워 맞춤을 한 복합 실린더의 자긴가공 효과에 관하여 검토하였다.

가설 설정

복합 실린더에서 자긴가공 압력은 소성변형이 내부 실린더를 통과하여 외부 실린더까지 전파하는 경우의 자긴도를 가정하였다. 공차에 의한 억지 끼워맞춤 접촉압력은 각각 27 MPa, 54 MPa, 108 MPa 이다.
가정하였다. 복합 실린더의 경우 공차 δ를 0.1, 0.2, 0.4 mm로가정하여 크기가 다른 접촉 압력을 이용하였다. Fig.
본 연구에서 가정한 두꺼운 실린더의 형상은 단일과 복합 실린더 동일한 형태로 가정하였다. 복합 실린더의 경우 공차 δ를 0.
P_i는 신린더에 작용하는 내압, r은 임의의 반경이다. 양단이 뚫린 실린더의 경우에는 평면응력상태 (plane stress) 조건에 의하여 σ_z= 0 으로 가정하였다. 재료의 탄성-완전 소성거동(elastic-perfectly plastic behavior) 및 Tresca 항복 조건을 가정하면 임의의 자긴도로 가공할 때 자긴 압력은 다음 같이 얻을 수 있다[7-9].

제안 방법

Equation 3으로 얻은 결과를 이용하여 각각의 자긴도에 따른 자긴압력을 이용하여 수치해석과 유한요소 프로그램을 이용한 해석을 실시하였다. Fig.
SNCM8 고강도강의 기계적 특성을 이용하여, 동일한 자긴가공도에 따른 단일 실린더와 억지끼워맞춤한 복합 실린더에 대한 자긴가공 해석을 수치해석 및 유한요소 프로그램을 이용하여 수행하였으며 결론은 다음과 같다.
바우싱거 실험을 통하여 소성 변형률이 압축 항복강도의 저하에 어떠한 영향을 미치는지 알아보기 위하여 각각의 실험을 오프셋 방법을 이용하여 탄성구간과 소성구간으로 나누었다. Table.
실험에 의해 얻은 데이터를 이용 가공경화를 고려하여 유한요소 및 수치해석에 이용하였다. 바우싱거 효과를 알아내기 위하여 일축 인장-압축 시험을 수행하였다. 변형률 제어 실험을 전변형률 범위 0.
바우싱거 효과를 알아내기 위하여 일축 인장-압축 시험을 수행하였다. 변형률 제어 실험을 전변형률 범위 0.5%, 1%, 1.5%, 2%, 3%, 4% 으로 선택적으로 수행하였다.
얻었다. 본 결과를 이용하여 자긴도에 따른 실린더의 자긴가공 압력을 계산하였으며, 유한요소 해석에 이용하였다.
연구에 사용된 시험기는 MTS사의 10톤 용량의 만능재료 시험기이다. 실험에 의해 얻은 데이터를 이용 가공경화를 고려하여 유한요소 및 수치해석에 이용하였다. 바우싱거 효과를 알아내기 위하여 일축 인장-압축 시험을 수행하였다.
효과 실험을 하였다. 실험으로부터 얻은 기계적 특성을 이용하여, 동일한 자긴가공도에 따른 단일 실린더와 억지 끼워맞줌한 복합 실린더에 대한 자긴가공 해석을 수치해석 및 유한요소 프로그램을 이용하여 수행하였다. 해석 결과로부터 내경에서 유도되는 압축 잔류응력과 소성 변형률의 크기를 비교하여 단일 실린더와 억지 끼워 맞춤을 한 복합 실린더의 자긴가공 효과에 관하여 검토하였다.
인장 실험으로부터 탄성계수, 항복강도, 인장강도, 연신율 및 단면수축률 등의 다양한 기계적 특성을 얻었다. 본 결과를 이용하여 자긴도에 따른 실린더의 자긴가공 압력을 계산하였으며, 유한요소 해석에 이용하였다.

대상 데이터

4와 같다. 모델은 4절점요소를 적용하였으며 전체 6430여 개의 요소를 사용하였다.
본 연구에 사용된 소재는 SNCM8 고강도강이다. Table 1은 인장시험을 통하여 얻은 기계적 특성이다.
Table 1은 인장시험을 통하여 얻은 기계적 특성이다. 연구에 사용된 시험기는 MTS사의 10톤 용량의 만능재료 시험기이다. 실험에 의해 얻은 데이터를 이용 가공경화를 고려하여 유한요소 및 수치해석에 이용하였다.

이론/모형

본 연구에서 단일 및 복합 실린더의 자긴가공 공정을 해석하기 위하여 ABAQUS 6.6을 사용하였다. Fig 3은 ABAQUS/Standard[13]에서 억지끼워맞춤이 적용되는 과정을 나타내고 있다.

성능/효과

1. 단일 실린더에서 수치해석과 유한요소 해석 결과는 거의 일치하고 있다. 자긴가공 압력이 증가할수록 내경부에서 유도되는 압축 잔류응력의 크기는 증가하고, 바우싱거 효과에 의하여 내경부에서 유도되는 압죽 잔류응력은 이론보다 작게 유도되었다.
2. 복합 실린더의 경우 공차의 크기에 의하여 접촉부에서 압력은 27 MPa, 54 MPa, 108 MPa을 얻었으며 내부 실린더의 내경부에서 유도되는 압축 잔류응력은 단일 및 복합 실린더의 경우 거의 동일하다.
3. 탄소성 해석 시 억지끼워맞춤 접촉응력의 크기에 의하여 공차의 크기에 따라 내부 및 내부 실린더의 경계면에서 접선방향 응력은 크게 변한다. 이로 인하여 내부 실린더에서는 단일 실린더보다 큰 압축잔류응력이 유도되며, 외부 실린더에서는 더욱 큰 인장잔류응력이 유도된다.
4. 억지 끼워맞움에 의한 복합 실린더의 자긴가공 시, 내부에서는 큰 압축잔류응력이 유도되고, 외부에서 큰 인장잔류응력이 유도되므로 복합실런더의 설계 시보다 높은 주의가 요구된다.
6. 자긴가공 방법을 이용하면 고압부에 사용되는 항공 부품에서 보다 높은 작동압력을 얻을 수 있는 동시에 초고압을 지탱하며 무게를 최소화하는 보다 효과적인 부품을 제작할 수 있다.
내경에서 소성 변형률은 복합 실린더보다 단일 실린더가 상대적으로 높으며 , 복합 실린더에서 억지끼워맞춤에 의한 접촉응력이 높을수록 낮은 값을 가진다. 동일 형상에서 억지끼워맞춤에 의하여 소성 변형을 약 50%까지 감소시킬 수 있음을 확인하였다. Fig.
또한 Parker 등은 자긴 가공 전에 억지 끼워맞춤을 하는 이전과는 다른 방법을 사용하였다[6]. 이러한 방법은 단일 실린더에 서자긴 가공의 경우 일어나는 소성 변형을 약 50% 까지 감소시켜 피로 수명을 41%까지 증가시키는 유용한 방법임을 보였다.
단일 실린더에서 수치해석과 유한요소 해석 결과는 거의 일치하고 있다. 자긴가공 압력이 증가할수록 내경부에서 유도되는 압축 잔류응력의 크기는 증가하고, 바우싱거 효과에 의하여 내경부에서 유도되는 압죽 잔류응력은 이론보다 작게 유도되었다.

후속연구

5. 바우싱거 효과가 소성 변형률에 매우 크게 의존함을 고려할 때, 억지 끼워맞춤에 의한 바우싱거 효과의 감소로 인한 더욱 효과적인 잔류응력 분포를 얻을 수 있을 것으로 예상된다.
동일 형상에서 억지끼워맞춤에 의하여 소성 변형을 약 50%까지 감소시킬 수 있음을 확인하였다. Fig. 5에서 확인하였듯이 바우싱거 효과가 소성 변형률에 매우 크게 의존함을 고려할 때, 억지끼워맞춤 이후의 바우싱거효과의 감소로 인한 내경에서 더욱 효과적인 잔류응력 분포를 얻을 수 있을 것으로 예상된다.
또한 복합 실린더의 경계부에서 억지끼워맞춤에 의한 영향으로 단일 실린더보다 상대적으로 큰 압축응력이 유도된다. 이로서 판단할 때 동일한 형태와 자긴도에서 억지 끼워맞춤에 의한 복합 실린더가 단일 실린더보다 보다 높은 사용압력의 한도를 가질 수 있을 것으로 고려된다. 그러나 억지끼워맞춤에 의한 영향으로 외부 실린더에서 단일 실린더의 경우보다 더 높은 인장잔류응력이 유도되어 복합 실린더의 사용에 있어서 주의가 요구된다.

참고문헌 (14)

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이방업, 김원훈, 구송회, 손영일 "금속재와 복합재 이종구조물로 된 압력용기의 설계이론 개발," 한국추진공학회, 한국추진공학회지 제 10권 제2호, 2006, pp.23-30

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박재현, 이영신, 김재훈, 차기업, 홍석균, "자긴가공된 복합실린더의 기계가공 해석," 대한기계학회, 대한기계학회 논문집 A권 제 31권 제 7호, 2007, pp.800-807

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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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