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문제 정의
- 본 연구에서는 MBC의 유한 요소 해석을 통하여 설계 방향을 제시하였고 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 본 연구에서는 유한 요소법을 적용한 MBC의 내구설계에 대하여 논의하였다. 엔진 벌크헤드와 MBC를 3차원 유한 요소로 모델링을 한 후 실제 엔진 조립 시와 같은 순서를 따라서 MBC에 작용하는 볼트 체결력, 프레스 껴 맞춤(press fit), 베어링 압착(bearing crush)에 의한 엔진 조립 하중을 유한 요소 모델에 적용하였다.
제안 방법
- 이 경우 신속한 설계 반복을 하기 위해서 주 모델의 변위 결과를 경계면에서의 경계조건으로 사용하는 부 모델이 유용하게 사용될 수 있다. MBC 유한 요소 해석의 경우에는 주요 필렛, 노치부, 보어부의 요소의 수를 증가시킨 부 모델을 이용하여 해석을 하였다. Fig.
- 관심부분인 MBC부는 4면체 요소, 볼트는 육면체 요소를 사용하여 모델링 하였다. MBC부의 계산 오차를 줄이기 위해서는 6면체 요소를 사용하는 것이 바람직하나 설계 변경 시 요소 모델링을 용이하게 하기 위하여 4면체 요소를 사용하였다. MBC는 엔진벌크헤드, 볼트, 베어링셸과 접촉을 하고 있으므로 접촉 모델링(contact modeling)에도 유의하여 모델링을 하여야 한다.
- 상기한MBC 유한 요소 해석 방법을 실제 MBC에 적용하였다. MBC의 재료 선정 및 MBC의 두께를 설계 변수로 설정하여 각각의 경우의 피로 안전 계수를 계산하였다. 피로 안전 계수의 계산은 상용 패키지인 FEMFAT을 사용하였고, 후처리는 Hypermesh를 사용하였다.
- 엔진 벌크헤드와 MBC를 3차원 유한 요소로 모델링을 한 후 실제 엔진 조립 시와 같은 순서를 따라서 MBC에 작용하는 볼트 체결력, 프레스 껴 맞춤(press fit), 베어링 압착(bearing crush)에 의한 엔진 조립 하중을 유한 요소 모델에 적용하였다. 그리고 엔진 작동 열에 의한 열 하중(thermal load)과 엔진 동적 하중인 폭발 하중(firing load)을 조립 하중 후에 순차적으로 적용하였다. 제안된 해석 방법을 검증하고자 MBC의 피로안전 계수 분포와 피로 안전도를 분석하는 사례를 제시하였다.
- 벌크헤드의 후면은 면 수직방향으로 고정하였고, 실린더헤드의 상부 면은 폭발하중 작용 시에 면 수직방향으로 고정하였다. 또한 강체운동을 제거하기 위하여 벌크헤드 밸리 부의 중앙에 위치한 2 절점을 수평방향으로 고정하고, 1 절점은 수직 방향으로 고정하였다. 부 모델은 주 모델과의 경계에서의 변위 결과를 경계조건으로 사용하였다.
- 사용한 주 모델의 경계조건은 다음과 같다. 벌크헤드의 후면은 면 수직방향으로 고정하였고, 실린더헤드의 상부 면은 폭발하중 작용 시에 면 수직방향으로 고정하였다. 또한 강체운동을 제거하기 위하여 벌크헤드 밸리 부의 중앙에 위치한 2 절점을 수평방향으로 고정하고, 1 절점은 수직 방향으로 고정하였다.
- 본 피로 해석에서는 3 종류의 하중상태, 즉 열 하중, 첫 번째 폭발 하중, 두 번째 폭발 하중, 에서의 최대 주응력 값을 ABAQUS를 사용하여 계산한 후 이 결과를 FEMAT의 Haigh 선도에 적용하여 MBC의 피로안전계수를 계산하였다.
- 상기한MBC 유한 요소 해석 방법을 실제 MBC에 적용하였다. MBC의 재료 선정 및 MBC의 두께를 설계 변수로 설정하여 각각의 경우의 피로 안전 계수를 계산하였다.
- 5배 정도이다. 실제 문제에서는 베어링 마찰을 고려하여 마찰계수를 적용한다.
- 계산된 접촉 압력은 19(MPa) 정도였고 이는 베어링 모델링을 사용한 유한 요소 모델의 접촉 압력과 5% 내외의 차이를 보였다. 어셈블 과정에서의 프레스껴 맞춤, 볼트 체결, 베어링 압착에 의한 정적 체결 하중은 실제 엔진 어셈블 작업에서 사용하는 수치를 사용하였고 엔진작동에 의한 열 하중은 최대 엔진 오일 온도를 모델에 적용하였다. 동적 하중인 폭발 하중은 엔진 벌크헤드에 인접하는 메인 베어링에 작용하는 최대 하중을 적용하였다.
- 본 연구에서는 유한 요소법을 적용한 MBC의 내구설계에 대하여 논의하였다. 엔진 벌크헤드와 MBC를 3차원 유한 요소로 모델링을 한 후 실제 엔진 조립 시와 같은 순서를 따라서 MBC에 작용하는 볼트 체결력, 프레스 껴 맞춤(press fit), 베어링 압착(bearing crush)에 의한 엔진 조립 하중을 유한 요소 모델에 적용하였다. 그리고 엔진 작동 열에 의한 열 하중(thermal load)과 엔진 동적 하중인 폭발 하중(firing load)을 조립 하중 후에 순차적으로 적용하였다.
- MBC는 엔진벌크헤드, 볼트, 베어링셸과 접촉을 하고 있으므로 접촉 모델링(contact modeling)에도 유의하여 모델링을 하여야 한다. 엔진 벌크헤드와 베어링의 접촉부는 ABAQUS의 small sliding 조건을 사용 하였고, 볼트와의 접촉부는 tied contact 조건이나 small sliding 조건을 사용하였다. 엔진 벌크헤드, 볼트와 접촉하는 MBC의 부분은 접촉부의 해 수렴을 용이하게 하기 위하여 서로 매칭하는 요소를 사용하였다.
- 3은 실린더 헤드, 엔진 벌크헤드, MBC 등으로 구성된 유한요소 모델을 보여준다. 유한 요소 모델은 실린더 헤드, 엔진 벌크헤드, MBC, 볼트 등으로 이루어진 주 모델(global model)과 MBC만으로 이루어진 부 모델(sub-model)로 구분하여 해석하였다. 모델 크기가 너무 큰 경우나 필렛이나 노치부 등의 정확한 해석 결과를 필요로 하는 경우에는 어셈블된 주 모델로 설계 해석을 반복 수행하는 것이 무리가 따른다.
- 그리고 엔진 작동 열에 의한 열 하중(thermal load)과 엔진 동적 하중인 폭발 하중(firing load)을 조립 하중 후에 순차적으로 적용하였다. 제안된 해석 방법을 검증하고자 MBC의 피로안전 계수 분포와 피로 안전도를 분석하는 사례를 제시하였다. 응력 해석은 상용 유한 요소 코드인 ABAQUS4)를 사용하였다.
- 엔진의 유한 요소 해석 절차에서 마지막으로 엔진에 작용하는 폭발 하중 단계는 이전 모든 하중이 누적되어 있으므로 단순 하중이 아닌 복합 하중이 작용하고 있다. 피로해석에서는 열 하중, 2개의 폭발 하중의 경우에서의 최대 주응력 결과를 사용하였다.
데이터처리
- 3) 제안된 유한 요소 해석 절차에 의해 각 절점에서 계산한 최대 주응력을 Haigh 선도에 적용하여 피로 안전 계수를 구하였다. 계산된 피로 안전 계수는 MBC의 설계 방향 설정에 사용할 수 있을 것이다.
이론/모형
- 베어링 압착에 의한 베어링과 하우징 간의 접촉 압력은 Levy 이론5)을 사용하여 계산된 수치를 유한 요소모델에 적용하였다. 계산된 접촉 압력은 19(MPa) 정도였고 이는 베어링 모델링을 사용한 유한 요소 모델의 접촉 압력과 5% 내외의 차이를 보였다.
- 사용된 재료 모델은 등방성 경화 탄소성(elasticplastic with an isotropic hardening model) 거동 모델을 이용하였고, 인장 시험을 수행 하여 얻은 재료의 응력- 변형률 곡선을 해석에 이용하였다(Fig. 4, Fig. 5).
- 매칭하는 요소는 모델링시에 같은 모양, 크기의 서피스 요소를 접촉부가 가지도록 모델링하여 자동 메시된 4면체 요소도 접촉부에서 매칭되게 하였다. 엔진 벌크헤드와 MBC의 접촉부분에서 발생하는 접촉에 의한 기하학적 비선형은 ABAQUS의 접촉 모델링을 사용하여 계산 오차를 감소시켰다.7)
- 여기서 계산된 접촉 압력은 MBC 유한 요소 모델의 하우징 보어에 적용하여 베어링 접촉 모델을 대신한다.
- 제안된 해석 방법을 검증하고자 MBC의 피로안전 계수 분포와 피로 안전도를 분석하는 사례를 제시하였다. 응력 해석은 상용 유한 요소 코드인 ABAQUS4)를 사용하였다.
- MBC의 재료 선정 및 MBC의 두께를 설계 변수로 설정하여 각각의 경우의 피로 안전 계수를 계산하였다. 피로 안전 계수의 계산은 상용 패키지인 FEMFAT을 사용하였고, 후처리는 Hypermesh를 사용하였다.
성능/효과
- 1) 실제 MBC를 조립하는 과정과 엔진 작동 중에 MBC에 작용하는 동적 하중을 순차적으로 적용한 MBC 유한 요소 모델은 설계 방향 설정에 효과적으로 사용될 수 있다.
- 베어링과 크랭크 축을 지지하는 MBC는 엔진 작동시 발생하는 과도한 응력을 받는 부분이므로 엔진 설계에서 강한 내구성이 필요한 부품이다.1,2) 최근의 엔진 설계는 증가하는 엔진 출력과 고 효율성 추구 때문에 기초설계부터 주요 부품의 내구성을 확보하는 것이 선결조건이 된다. 특히, 엔진 작동 중의 MBC의 파손은 아주 중대한 문제를 야기하므로 최적의 피로안전 상태를 필요로 한다.
- 2) 이론적으로 계산된 베어링과 하우징 보어간의 접촉 압력은 베어링 유한 요소 모델을 대신 하여 사용할 수 있었다.
- 엔진 운전 중에 베어링은 항상 적합한 접촉력을 유지하여야 하고 베어링 파손방지는 엔진 설계의 주요한 관심사 중의 하나이다.3) 베어링과 하우징 보어 간의 과도한 접촉력은 크랭크 축의 원활한 회전을 방해하여 베어링의 변형을 가져온다. 베어링의 적합한 접촉력의 유지는 프레팅(fretting)을 방지하여 베어링이 보어로부터 미끄러지거나 회전하는 것을 막아준다.
- 1의 피로 안전계수를 나타내었다. MBC의 두께가 증가할수록 피로 안전 계수가 증가하였고 높은 피로 강도를 지니는 구상화 주철을 사용할 경우에는19mm 두께의 MBC를 사용하여도 만족할 만한 피로 안전 계수를 얻었다. 각각의 경우의 최소피로 안전 계수는 Table 3에 정리하였다.
- 을 사용하여 계산된 수치를 유한 요소모델에 적용하였다. 계산된 접촉 압력은 19(MPa) 정도였고 이는 베어링 모델링을 사용한 유한 요소 모델의 접촉 압력과 5% 내외의 차이를 보였다. 어셈블 과정에서의 프레스껴 맞춤, 볼트 체결, 베어링 압착에 의한 정적 체결 하중은 실제 엔진 어셈블 작업에서 사용하는 수치를 사용하였고 엔진작동에 의한 열 하중은 최대 엔진 오일 온도를 모델에 적용하였다.
후속연구
- 3) 제안된 유한 요소 해석 절차에 의해 각 절점에서 계산한 최대 주응력을 Haigh 선도에 적용하여 피로 안전 계수를 구하였다. 계산된 피로 안전 계수는 MBC의 설계 방향 설정에 사용할 수 있을 것이다.
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