유도가열 전기보온 압력밥솥의 체결 구조는 오븐, 상부 가열판, 체결 링으로 구성되며, 기존의 밥솥과 달리 내부에 압력이 작용하기 때문에 안전성 검토가 반드시 필요하다. 본 연구에서는 유한 요소법을 이용하여 밥솥의 체결 구조인 오븐, 상부 가열판, 체결 링에 대하여 구조해석을 수행하고 구조적으로 안전한 최적 두께를 산출한다. 특히, 오븐은 스테인레스와 알루미늄이 겹쳐서 성형된 제품이므로 복합재료 해석을 수행하고, 안전성 평가를 위하여 von Mises법과 Tsai-Wu법을 도입한다. 오븐과 상부 가열판의 최적 두께 산출을 위하여 설계 변수법을 적용한다.
유도가열 전기보온 압력밥솥의 체결 구조는 오븐, 상부 가열판, 체결 링으로 구성되며, 기존의 밥솥과 달리 내부에 압력이 작용하기 때문에 안전성 검토가 반드시 필요하다. 본 연구에서는 유한 요소법을 이용하여 밥솥의 체결 구조인 오븐, 상부 가열판, 체결 링에 대하여 구조해석을 수행하고 구조적으로 안전한 최적 두께를 산출한다. 특히, 오븐은 스테인레스와 알루미늄이 겹쳐서 성형된 제품이므로 복합재료 해석을 수행하고, 안전성 평가를 위하여 von Mises법과 Tsai-Wu법을 도입한다. 오븐과 상부 가열판의 최적 두께 산출을 위하여 설계 변수법을 적용한다.
The structures of induction heating type pressure rice cooker are consisted of oven. top heater plate and locking ring. Because the pressure is applied to their structures, those should be necessary to do the safety evaluation. In this paper, structure analysis is performed for oven structures by us...
The structures of induction heating type pressure rice cooker are consisted of oven. top heater plate and locking ring. Because the pressure is applied to their structures, those should be necessary to do the safety evaluation. In this paper, structure analysis is performed for oven structures by using finite element method and as a results, optimal thickness is achieved. Especially, analysis fur anisotropic layered material is performed because oven is made of both stainless steel and aluminum. And both von Mises and Tsai-Wu failure criterion are applied for safety factor. Parametric method is used in order to get the optimal thickness for oven and top heater plate.
The structures of induction heating type pressure rice cooker are consisted of oven. top heater plate and locking ring. Because the pressure is applied to their structures, those should be necessary to do the safety evaluation. In this paper, structure analysis is performed for oven structures by using finite element method and as a results, optimal thickness is achieved. Especially, analysis fur anisotropic layered material is performed because oven is made of both stainless steel and aluminum. And both von Mises and Tsai-Wu failure criterion are applied for safety factor. Parametric method is used in order to get the optimal thickness for oven and top heater plate.
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가설 설정
먼저 등방성 재질에 대한 안전도 평가는 von Miese 항복 조건[11]을 적용한다. 즉, 상당응력 »가 재료의 단축 인장항복응력 by에 도달하면 항복이 일어난다고 가정한다. 이때 파손의 정도를 표시하기 위하여 다음 식과 같이 강도비 (Strength ratio) K를 정의하는 것이 편리하다.
제안 방법
또한 오븐은 스테인레스와 알루미늄의 이방성(Anisotropic) 재질로 구성되어 있기 때문에 이를 동시에 고려할 수 있는 요소를 선택해야 한다. 따라서 본 연구에서는 그림 1에 표시한 바와 같이 8개의 절점을 갖는 복합 재료 셸 요소[5]를 이용하여 체결 구조들을 모델링하였다.
본 연구에서는 밥솥의 체결 구조물인 오븐, 상부 가열판, 그리고 체결 링의 두께에 대하여 설계 변수법을 이용하여 안전성 평가를 수행하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 셸 요소를 굽힘과 평면 하중에 의한 항으로 나누어 각각 지배 방정식을 유도하고, 절점 변위 벡터를 Hooke의 법칙[기을 이용하여 강성 행렬과 하중 벡터와의 관계로 정식화한다.
이와 같은 염가형 설계를 위하여 전체 체결 구조물이 주어진 압력 하에서 안전을 유지하기 위한 가장 얇은 두께를 계산하는 것이 필요하며, 이를 위하여 설계 변수법을 도입하였다. 설계 변수는 오븐의 알루미늄과 스테인레스 각각의 두께와 상부 가열판의 두께이고, 이때 체결링의 두께는 고정하였다
체결 구조인 오븐, 상부 가열판(Top heater plate), 그리고 체결 링(Locking ring)에 대하여 구조해석을 수행하여 구조적으로 안전한 최적 두께를 산출한다. 하중조건으로 내압만 작용하였을 때와 내압과 온도가 함께 하중 조건으로 주어졌을 때 체결 구조물의 안전성을 각각 검토한다.
안전한 최적 두께를 산출한다. 하중조건으로 내압만 작용하였을 때와 내압과 온도가 함께 하중 조건으로 주어졌을 때 체결 구조물의 안전성을 각각 검토한다. 맛있는 밥 맛과 염가형 설계를 위하여 체결 구조물의 두께를 설계 변수로 선정하고 오븐, 상부 가열판의 최적 두께 산출을 위한 설계 변수법囹을 적용하였다.
대상 데이터
도입하였다. 설계 변수는 오븐의 알루미늄과 스테인레스 각각의 두께와 상부 가열판의 두께이고, 이때 체결링의 두께는 고정하였다
이론/모형
하중조건으로 내압만 작용하였을 때와 내압과 온도가 함께 하중 조건으로 주어졌을 때 체결 구조물의 안전성을 각각 검토한다. 맛있는 밥 맛과 염가형 설계를 위하여 체결 구조물의 두께를 설계 변수로 선정하고 오븐, 상부 가열판의 최적 두께 산출을 위한 설계 변수법囹을 적용하였다.
이방성 재질에 대한 것으로 구분한다. 먼저 등방성 재질에 대한 안전도 평가는 von Miese 항복 조건[11]을 적용한다. 즉, 상당응력 »가 재료의 단축 인장항복응력 by에 도달하면 항복이 일어난다고 가정한다.
이방성 재질에 대한 안전도 평가를 위하여 Tsai-Wu 항복 조건을 적용하며, 2차원 응력의 경우 식 (11)과 같이 단순화 할 수 있다[12]. 일반적으로 乩 는 -1/2로 가정하고, X는 종방향 인장강도, X’는 종방향 압축강도, Y 는 횡방향 인장강도, 丫'는 횡방향 압축강도, S는 종방향 전단강도이다.
성능/효과
1. 내압만을 하중조건으로 고려한 경우는 상부 가열 판의 두께가 감소할수록 전체 구조물의 안전계수는 이에 대응하여 감소됨을 알 수 있었으며, 오븐의 알루미늄과스테인레스의 두께가 변화함에 따라 전체 구조물의 안전계수의 변화는 거의 없음을 알 수 있었다.
2. 내압과 온도를 동시에 고려한 경우는 온도가 100-C, iio°c로 주어졌을 경우가 온도가 주어지지 않은 경우에 비하여 안전계수가 약 0.1 정도 감소함을 알 수 있었다. 따라서 밥솥의 체결 구조물은 온도보다는 압력이 가해지는 경우 안전성에 더 큰 영향을 받고 있음을 알 수 있었다.
1 정도 감소함을 알 수 있었다. 따라서 밥솥의 체결 구조물은 온도보다는 압력이 가해지는 경우 안전성에 더 큰 영향을 받고 있음을 알 수 있었다.
2 mm 이하일 때 안전계수가 급격히 감소하고 있음을 알 수 있다. 이 결과로부터 안전성을 고려하면서 두께가 가장 얇은 염가형 설계를 위한 상부 가열판의 최적 두께는 3.2 mm임을 알 수 있다.
이를 검증하기 위하여 Case 9~Case 10에서 오븐의 스테인레스 두께를 0.5 mm, 상부 가열판의 두께를 3.2 mm 로 고정하고 오븐의 알루미늄의 두께를 2.1~1.9 mm로 변화시켰을 때 안전계수의 변화가 거의 없음을 알 수 있다. 또한, Case 1 l~Case 12에서 오븐의 알루미늄 두께를 2.
44로 변화된다. 즉, Case l~Case 3과 마찬가지로 상부 가열판의 두께가 감소할수록 전체 구조물의 안전계수는 이에 대응하여 감소하나, 상부 가열판의 두께가 3.2 mm 이하일 때 안전계수가 급격히 감소하고 있음을 알 수 있다. 이 결과로부터 안전성을 고려하면서 두께가 가장 얇은 염가형 설계를 위한 상부 가열판의 최적 두께는 3.
00으로 변화된다. 즉, 상부 가열판의 두께가 감소할수록 전체 구조물의 안전계수는 선형적으로 감소됨을 알 수 있다. Case 4~Case 8에서 오븐의 두께를 알루미늄 2.
참고문헌 (12)
K. Murase, “Induction-Heater Type Rice Cookers with Pressure - Cast Thick Pot”, Toshiba Review, Vol. 50, No. 4, pp. 335-338, 1995.
Lee, S. P., Final Repor t; Oven structural analysis, LG Electronics, 1996.
이종훈, 전용웅, 조암, “제품위험분석을 통한 전기밥솥의 안전성 평가 및 개선방안”, 대한인간공학회 2006년 춘계학술대회 논문집, 제 5권, pp. 321-325, 2006.
이종선, 김세환, “런닝머신 프레임의 구조해석”, 산학기술성공학회논문지, 제 2권, 1호, pp. 31-35, 2001.
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