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문제 정의
- 또한, 탄성 한계를넘어서는 영구 변형량 실험을 수행하고, 그 결과를 구조 해석 결과와 비교하였다. 이들 실험과 해석 결과를통하여 오븐 구조물의 안전도를 평가하는 방법을 제시하였다.
제안 방법
- PCLD-789 Board 에서 증폭된 압력 신호를 다시 PCL-812 A/D Converter를 통하여 디지털 신호로 변환하고 압력 신호와 마찬가지로 PC에 저장하였다. 2 개의 A/D Converter로 들어오는 입력 신호는 노이즈를 줄이기 위하여 Low pass filter를 사용하여 필터링 (Filtering)하였다. 그리고 외란의 영향을 최대한 배재하기 위하여 Averaging하였다.
- 측정하였다. 그리고 ANSYS를 이용하여 게이지 압력 1~3기압으로 하중을 변화시키면서 오븐의 변형률을 계산하였다. 이들 결과를 그림 7~14에 도시하였다.
- 압력계에는 휘스톤 브리지가 부착되어있어서 Excitation voltage를 가하면 입력 값을 아날로그 신호로 얻을 수 있다. 또한, 변형률 측정을 위하여 오븐의 4개의 지점에 스트레인 게이지를 부착하여 Full bridge를 구성하였다. 본 연구에 사용된 스트레인 게이지는 오븐 바깥쪽 표면에 부착하며, Tokyo Sokki Kenkyujo사 제품이다.
- 구조 해석 결과와 비교하였다. 또한, 탄성 한계를넘어서는 영구 변형량 실험을 수행하고, 그 결과를 구조 해석 결과와 비교하였다. 이들 실험과 해석 결과를통하여 오븐 구조물의 안전도를 평가하는 방법을 제시하였다.
- 변형률 실험은 알루미늄과 스테인레스의 두께가 각기 다른 두 가지 오븐의 시편으로 수행하였다. 오븐의두께별 샘플의 종류는 표 1에 나타내었다.
- 본 연구에서는 유도가열 방식 전기보온압력밥솥의 변형률을 평가하기 위하여 스트레인 게이지를 이용한 변형률 실험을 수행하였고, 그 값을 해석 결과와 비교하였다. 실험결과와 해석 결과를 비교한 결과, 압력과 변형률 선도는 유사한 경향을 보였다.
- 본 연구에서는 유도가열 방식의 전기 보온 압력밥솥오븐에 대하여 스트레인 게이지[4]~[6]를 이용한 변형률 측정 실험을 수행하고, 그 결과를 유한 요소법을 이용한 구조 해석 결과와 비교하였다. 또한, 탄성 한계를넘어서는 영구 변형량 실험을 수행하고, 그 결과를 구조 해석 결과와 비교하였다.
- 스트레인 게이지를 이용한 오븐의 변형률 실험 결과를 비교하기 위하여 오븐에 대하여 구조 해석을 수행하였다. 해석은 구조 해석을 위한 상용 프로그램인 ANSYS[7]~[9]를 사용하였고, 표 1에 언급된 샘플 1, 2 의 두 종류에 대하여 수행하였다.
- 실험에 사용된 2 가지 샘플에 대하여 각각 4 지점의 변형률을 스트레인 게이지를 이용하여 측정하였다. 그리고 ANSYS를 이용하여 게이지 압력 1~3기압으로 하중을 변화시키면서 오븐의 변형률을 계산하였다.
- 오븐의 영구 변형량을 평가하기 위하여 두께를 달리한 2 가지 샘플에 대하여 수부하 실험을 수행하였다. 실험 결과, 샘플 1은 게이지 압력 3 기압으로 40 초간유지되다가 누수가 되었다.
- 위에서 언급한 바와 같이 샘플 1, 2의 두께에 대하여 물성치, 하중 조건, 경계 조건을 입력하여 구조 해석을 수행하였다. 오븐은 알루미늄과 스테인레스로 구성되어 있으므로 이방성 재질로 간주되며, 이에 대한 안전도 평가를 위하여 식 (3)과 같이 Tsai-Wu 항복 조건식을 적용하였다.
- 위에서 언급한 바와 같이 실험 장치를 구성한 후, 압력 신호에 따른 변형률 신호를 얻기 위하여 펌프 옆에 부착된 밸브를 조절하면서 오븐 내에 게이지 압력 3 기압의 내압이 가해지도록 수부하를 가하였다.
- Lee 등[3]은 유한 요소법을 이용하여 오븐 체결 구조물에 대한 구조 해석을 수행하여 구조적으로 안전한 최적 두께를 산출하였다. 즉, 맛있는 밥맛과 염가형 설계를 위하여 체결 구조물의 두께를 설계 변수로 선정하고 설계 변수법을 적용하여 체결 구조물의 최적 두께를 계산하였다.
대상 데이터
- 또한, 변형률 측정을 위하여 오븐의 4개의 지점에 스트레인 게이지를 부착하여 Full bridge를 구성하였다. 본 연구에 사용된 스트레인 게이지는 오븐 바깥쪽 표면에 부착하며, Tokyo Sokki Kenkyujo사 제품이다. 사용된 스트레인 게이지의 규격은 3502, 게이지 팩터(Gauge factor) 2.
- 본 연구에 사용된 스트레인 게이지는 오븐 바깥쪽 표면에 부착하며, Tokyo Sokki Kenkyujo사 제품이다. 사용된 스트레인 게이지의 규격은 3502, 게이지 팩터(Gauge factor) 2.14, 게이지 길이 (Gauge length) 3 mm와 1 mm이다.
데이터처리
- 영구 변형량 실험 조건과 동일한 하중 조건 및 경계조건으로 구조 해석을 수행하였고, 그 결과를 실험 결과와 비교하였다.
- 오븐의 영구 변형량을 평가하기 위하여 수부하 실험과 구조 해석을 수행하였고, 그 결과를 비교하였다. 비교 결과, 영구 변형량과 해석 결과가 유사함을 알 수 있었다.
- 해석은 구조 해석을 위한 상용 프로그램인 ANSYS[7]~[9]를 사용하였고, 표 1에 언급된 샘플 1, 2 의 두 종류에 대하여 수행하였다. 오븐의 형상은 그림 4와 같고, 구조 해석을 위하여 입력된 물성치는 표 2 와 같다.
이론/모형
- 또한, 파손의 정도를 표현하기 위하여 안전계수 Sf 를 도입하였다(3), [10].
- 고려할 수 있는 요소를 선택하여야 한다. 본 연구에서는 이러한 요구를 충족시킬 수 있는 요소로 ANSYS SHELL91 요소를 선정하였다. SHELL91 요소는 16 Layer structural 아iell 요소이다.
- 수행하였다. 오븐은 알루미늄과 스테인레스로 구성되어 있으므로 이방성 재질로 간주되며, 이에 대한 안전도 평가를 위하여 식 (3)과 같이 Tsai-Wu 항복 조건식을 적용하였다.
성능/효과
- 비교 결과, 영구 변형량과 해석 결과가 유사함을 알 수 있었다.
- 수행하였다. 실험 결과, 샘플 1은 게이지 압력 3 기압으로 40 초간유지되다가 누수가 되었다. 누수 후 영구 변형량을 분석해 보면 4 군데의 오븐 플랜지 부위에 홀더에 의한 변형이 확연히 나타난다.
- 실험결과와 해석 결과를 비교한 결과, 압력과 변형률 선도는 유사한 경향을 보였다.
- 해석과 실험의 최대 오차가 큰 이유는 스트레인 게이지의 부착 위치가 유한 요소 해석의 위치와 정확히 일치하지 않아서 발생하는 것이라고 판단할 수 있다. 특히 2, 3번 지점에서는 변형률 구배가 크기 때문에 오차 발생의 소지가 크다고 예상할 수 있다.
후속연구
- 그 이유로는 해석 결과는 탄성 영역만을 고려한 선형 해석인데 비하여 실험 결과는 비선형이기 때문이라고 예상된다. 따라서 비선형 해석을 수행한다면 실험 결과와해석 결과는 보다 근접한 결과를 얻을 수 있을 것이다. 또한, 해석 결과는 홀더의 0°를 기준으로 좌우 대칭으로 변형이 발생하는데 비하여 실제 실험에서는 비대칭으로 변형이 발생한다.
- 때문이다. 따라서 향후 오차를 줄이고 보다 정확한 비교를 위해서 구조물의 비선형을 고려한 해석이 필요하다고 생각된다.
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