[논문]압축 및 내압을 받는 고무 오링의 기밀 성능 평가

박성한; 김재훈; 김원훈

압축 및 내압을 받는 고무 오링의 기밀 성능 평가
An evaluation on sealing performance of elastomeric O-ring compressed and highly pressurized 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.26 no.2 = no.215, 2009년, pp.86 - 93

박성한 (국방과학연구소) , 김재훈 (충남대학교 기계설계공학과) , 김원훈 (국방과학연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

Elastomeric O-rings have been the most common seals due to their excellent sealing capacity, and availability in costs and sizes. One of the critical applications of O-ring seals is solid rocket motor joint seal where the operating hot gas must be sealed during the combustion. This has long been a design issue to avoid the system failure. For laterally constrained, squeezed and pressurized condition, deformed shape of O-ring was measured by computed tomography method and CCD laser sensor, compared with numerical calculations. As clearance gap changes, sealing performance had been evaluated on peak contact stresses at top, bottom and side contact surfaces. As clearance gap increases, peak contact stresses and contact widths in top and side contact surfaces increase, and the asymmetry of stress distributions is promoted due to pressure increase. It is suggested that peak stress of bottom contact surface can be approximated by simple superposition of peak ones due to squeeze and pressure. Under pressurized condition, sealing performance is dependent on not peak stresses of bottom and side contact surfaces but that of top.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 단 측벽 구속하에서 압축 변형과 압력을 동시에 받는 오링 문제에 대하여 초탄성 유한 요소 해석 (hyperelastic finite element analysis)을 수행하였다. 레이저 변위 측정기(CCD laser displacement sensor) 와 전산화 단증 촬영 (computed tomography, CT)으로 접촉 폭 및 압출 깊이를 정확하게 측정하여 유한요소해석 결과와 비교 분석하였다.

제안 방법

84MPa 에서 조립 틈새 에 따른 상면, 하면 및 측면에서 오링의 기밀 성능을 나타낸 것이다. 기밀 성능은 최고 접촉 응력과 작용압력의 비로 평가하였다. 조립 틈새가 증가할수록 상면의 기밀 성능은 약간 증가되는 경향을 나타내었으며 하면의 기밀 성능은 약간 감소하는 경향이 나타났다.
단 측벽 구속하에서 압축 변형과 압력을 받는 오링 문제에 대하여 변형 형상 측정과 유한요소해석을 통하여 오링의 기밀 성능을 평가하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
있다. 따라서 해의 정확성을 고려하여 잔차력 (residual force) 뿐만 아니라 변위에 대한 수렴 조건을 추가로 적용하였다. 해석 수렴 조건으로 상대 하중 오차(relative force tolerance)와 상대 변위 오차(relative displacement tolerance)가 사용되며 일반적인 경우 그 값을 0.
레이저 변위 측정기(CCD laser displacement sensor) 와 전산화 단증 촬영 (computed tomography, CT)으로 접촉 폭 및 압출 깊이를 정확하게 측정하여 유한요소해석 결과와 비교 분석하였다. 또한 검증된 해석 방법을 토대로 조립 틈새와 작용압력이 오링의 접촉 응력 분포에 미치는 영향을 상세하게 분석하여 기밀 성능 (sealing performance) 평가 기준으로 제시하였다.
또한 조립 틈새로 압출되는 자유 표면의 형상이 격자 재구성 과정에 의해 물리적 현상과 다른 뾰족한 모양을 나타내는 문제와 격자 재구성 기준이임의 적일 수 있다는 문제를 해결하기 위하여 격자재구성 기준인 요소의 찌그러짐, 절점 각도 및 접족 침범(penetration) 조건을 동시에 적용하였다.
수행하였다. 레이저 변위 측정기(CCD laser displacement sensor) 와 전산화 단증 촬영 (computed tomography, CT)으로 접촉 폭 및 압출 깊이를 정확하게 측정하여 유한요소해석 결과와 비교 분석하였다. 또한 검증된 해석 방법을 토대로 조립 틈새와 작용압력이 오링의 접촉 응력 분포에 미치는 영향을 상세하게 분석하여 기밀 성능 (sealing performance) 평가 기준으로 제시하였다.
변형속도로 실시하였다. 인장 시험용 시편은 두께 2mm 이며 표점 거리가 5mm 인 KS M 6518 Type 3 을 사용하였다.
선경(plain diameter) 7.0mm, 평균 직경 128.5mm 인 크로로프렌 고무 오링을 대상으로 레이저 변위측정기와 전산화 단층 촬영 기법을 적용하여 변형 형상과 압출 깊이를 측정하였다. 오링을 장착하기 위한 시험 장치는 보어와 피스톤으로 구성되며 그사이의 그루브 홈에 오링이 장착되도록 설계되었다.
17 을 사용하였다. 접촉이 발생하면 압력이 작용하지 않도록 하중 조건을 설정하였으며, 요소의 변형이 과대하여 격자 재구성 방법이 적용되었다.
조립 틈새의 크기는 0.1mm, 0.25mm, 0.5mm 및 1.0mm 로 변화시켰으며 , 압력 은 최대 15.68Mpa 까지 적용하였다.
순수 전단 시험 시편 형상은 W 150XL 30xt 1mm 를 사용하였다. 특히 이 시편은 순수 전단 변형 모드가 구현되어야 하므로 폭(W)이 길이 (L)의 5 배가 되도록 설계하였다. 등 이축 인장시험 시편은 KS 나 ASTM 등에서 제시하고 있지 않기 때문에 Day 등 16 이 사용한 시편규격을 참고하여 W122xH₁₂2xt2mm 로 설계하였다.

대상 데이터

특히 이 시편은 순수 전단 변형 모드가 구현되어야 하므로 폭(W)이 길이 (L)의 5 배가 되도록 설계하였다. 등 이축 인장시험 시편은 KS 나 ASTM 등에서 제시하고 있지 않기 때문에 Day 등 16 이 사용한 시편규격을 참고하여 W122xH₁₂2xt2mm 로 설계하였다.
인장 시험용 시편은 두께 2mm 이며 표점 거리가 5mm 인 KS M 6518 Type 3 을 사용하였다. 순수 전단 시험 시편 형상은 W 150XL 30xt 1mm 를 사용하였다. 특히 이 시편은 순수 전단 변형 모드가 구현되어야 하므로 폭(W)이 길이 (L)의 5 배가 되도록 설계하였다.
변형속도로 실시하였다. 인장 시험용 시편은 두께 2mm 이며 표점 거리가 5mm 인 KS M 6518 Type 3 을 사용하였다. 순수 전단 시험 시편 형상은 W 150XL 30xt 1mm 를 사용하였다.

이론/모형

식 (8)을 풀기 위하여 Newton-Raphson 반복 기법이 적용된다.
접촉 계면에서의 마찰은 stick-slip 모델이 사용되었으며, 계산 시간을 최소화하기 위하여 오링을 제외한 구조물들은 강체로 처리하였다.

성능/효과

1) 상면 및 측면의 접촉 응력 분포는 조립 틈새가 증가하면 헤르츠 응력분포에서 벗어나고 최고 접촉 응력 및 접촉 폭이 증가하는 경향이 나타났으며 그 분포의 비대칭성은 압력이 증가할수록 촉진된다. 특히 측면의 최고 접촉 응력은 조립 틈새가 증가하면 크게 증가하고 압력이 증가하면 그 발생 위치도 측벽의 모서리 시작 부위로 접근하는 경향이 나타났다.
2) 하면의 최고 접촉 응력의 크기는 조립 틈새와 압력에 무관하게 압축에 의한 최고 접촉 응력과 압력에 의한 최고 접촉 응력의 단순 중첩이 성립한다.
3) 압축 및 압력 중첩 문제에서 오링의 기밀성능은 하면 및 측면의 최고 접촉 응력보다 상면의 최고 접촉 응력에 지배되며 조립 틈새가 증가하면 향상된다.
이상의 결과를 종합하면 오링의 기밀 성능은 하면 및 측면의 최고 접촉 응력보다 상면의 최고접촉 응력에 지배되며 조립 틈새가 증가하면 향상된다는 결론을 얻었다. 그러나 오링의 압출 길이가 과도하게 증가하면 오링이 조립 틈새로 빠져나가므로 기밀 성능에 악 영향을 줄 수 있다.
7 과 동일한 조건에서 측면에서무차원화된 접촉 폭 (Ws/d) 과 접촉 응력 (Pc/Pa) 분포를 나타내고 있다. 조립 틈새가 0.1mm 일 때에도 접촉 응력의 최대치가 확연히 드러나며 조립 틈새가 0.1mm 보다 커지면 헤르츠 접촉 응력 분포에서 완전히 벗어나는 경향이 나타났다. 최고 접촉응력은 조립 틈새가 1.
기밀 성능은 최고 접촉 응력과 작용압력의 비로 평가하였다. 조립 틈새가 증가할수록 상면의 기밀 성능은 약간 증가되는 경향을 나타내었으며 하면의 기밀 성능은 약간 감소하는 경향이 나타났다. 그러나 측면의 기밀 성능은 조립 틈새가 0.
1mm 보다 커지면 헤르츠 접촉 응력 분포에서 완전히 벗어나는 경향이 나타났다. 최고 접촉응력은 조립 틈새가 1.0mm 로 증가하면 조립 틈새가 0.1mm 인 경우보다 1.6 배 정도 증가하며 최고접촉 응력 발생 위치도 측벽의 모서리 시작 부위로 접 근하는 경향이 나타났다. Fig.
특히 측면의 최고 접촉 응력은 조립 틈새가 증가하면 크게 증가하고 압력이 증가하면 그 발생 위치도 측벽의 모서리 시작 부위로 접근하는 경향이 나타났다.
4와 동일한 조건에서 하면에서의무차원화된 접촉 폭 (Wfc/d) 과 접촉 응력 (Pc*a) 분포를 나타내고 있다. 하면 접촉 응력의 분포는 조립 틈새 및 압력에 무관하게 거의 대칭성을 보이며 압력이 증가할수록 최고 접촉 응력이 약간 감소하고 접촉 폭이 증가하는 경향이 나타났다.
7과 동일한 조건에서 하면에서의무차원화된 접촉 폭(W/d)과 접촉 응력 (Pd/Pa) 분포를 나타내고 있다. 하면 접촉 응력의 분포는 조립 틈새 및 압력에 무관하게 대칭성을 보이며 압력이 증가할수록 최고 접촉 응력 및 접촉 폭이 감소하는 경향이 나타났다. 이는 Fig.

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표제어: PCR

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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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