[논문]오일 파이프의 응력 및 변형거동특성에 관한 유한요소해석

김청균; 조승현

doi:10.9725/kstle.2009.25.6.374

오일 파이프의 응력 및 변형거동특성에 관한 유한요소해석
Finite Element Analysis on the Stress and Displacement Characteristics of Oil Pipe 원문보기

윤활학회지 = Journal of the Korean Society of Tribologists and Lubrication Engineers, v.25 no.6, 2009년, pp.374 - 380

김청균 (홍익대학교 트리보.메카.에너지기술 연구센터) , 조승현 (동양공업전문대학 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents the stress and displacement characteristics of oil pipe using the finite element analysis. Displacement in axial direction and von Mises stress of a pipe were analyzed with three design factors, which are the pipe thickness, the corrugation pitch and the corrugation height, under uniform oil pressure. The FE computed results are presented between a conventional round pipe and a rectangular pipe, which is manufactured in this study. The computed FE results show that maximum displacement in axial direction and von Mises stress of pipe are increased linearly as the oil pressure increases. Also, they are increased linearly as the corrugation pitch, corrugation height and pipe thickness increases. von Mises stress of a rectangular pipe at the edge increases sharply compared with that of a conventional round pipe. Therefore, the strength of rectangular pipe is superior to that of a conventional round pipe.

주제어

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문제 정의

본 논문에서는 오일, 연료, 물과 같은 액체를 수송하기 위한 파이프의 응력과 변형거동 특성에 대해 유한요소법으로 해석하였다. 파이프에 작용하는 오일의 액압을 균일하게 적용한 상태에서 파이프의 두께, 주름의 피치와 높이를 변화시키면서 거동특성을 관찰하였다.
본 연구에서는 오일, 연료, 물 등을 운송하는 파이프에 작용하는 액압이 5 kgf/cm²~50 kgf/m²일 때, 파이프의 설계조건에 따라 달라지는 von Mises 응력과 변위 거동 특성을 유한요소법으로 해석하고자 한다. 여기서 설계조건으로 고려한 파이프의 주름, 피치, 형상 등은 파이프의 가공비 측면에서 중요하고, 파이프의 두께는 파이프의 무게, 가공, 생산성 측면에서 중요한 변수이다.
1 mm로 변화시키면서 파이프에 걸리는 변위량에 대해 고찰하였다. 오일의 액압이 높아질수록 변위 변위량은 비교적 크게 증가하는 경향을 보인자. 주름높이가 0.

제안 방법

FEM 해석을 위해 4절점 쉘 요소를 사용하였고, 대칭성을 고려하여 1/4 모델로 간략화 하였다. 파이프에 가해지는 오일의 액압은 5, 10, 14, 20, 25, 30, 50 kgf/cm²를 적용하여 파이프의 강도안전을 고찰하였다.
파이프에 작용하는 오일의 액압을 균일하게 적용한 상태에서 파이프의 두께, 주름의 피치와 높이를 변화시키면서 거동특성을 관찰하였다. 또한, 기존의 둥근 파이프와 각형 파이프를 갖는 두 모델 사이의 거동특성을 함께 비교하였다.
주름 피치의 기본값은 6 mm이고, 4 mm와 8 mm의 경우에 대한 파이프의 변위량을 관찰하였다.
8은 기존의 원형모델에 작용하는 오일의 액압이 5 kgf/cm2, 25 kgf/cm², 50 kgf/cm²일 때, 주름높이에 따른 축방향의 최대변위를 나타낸 해석결과이다. 주름높이의 기본값은 1.4 mm이고, 0.7 mm와 2.1 mm로 변화시키면서 파이프에 걸리는 변위량에 대해 고찰하였다. 오일의 액압이 높아질수록 변위 변위량은 비교적 크게 증가하는 경향을 보인자.
4는 파이프의 액압이 5 kgf/cm², 25 kgf/cm², 50 kgf/cm²일 때, 기존의 원형모델에서 주름높이에 따른 최대응력을 해석한 결과이다. 주름높이의 기본값은 1.4 mm이지만, 0.7 mm와 2.1 mm로 변화시키면서 파이프에 발생하는 응력을 관찰하였다. 파이프에 낮은 액압 5 kgf/cm²이 작용할 경우는 주름높이에 따른 응력 차이가 거의 없지만, 오일의 액압이 증가하면 주름높이에 따른 응력 차이가 발생하는 경향을 보여준다.
1(a)에서 보여준 기존의 원형 파이프 모델에서 파이프 두께에 따른 최대응력을 해석한 결과이다. 파이프 두께의 기본값은 0.3 mm이지만, 0.1 mm와 0.2 mm로 변화시키면서 파이프에 걸리는 응력을 고찰하였다. 파이프의 두께 0.
FEM 해석을 위해 4절점 쉘 요소를 사용하였고, 대칭성을 고려하여 1/4 모델로 간략화 하였다. 파이프에 가해지는 오일의 액압은 5, 10, 14, 20, 25, 30, 50 kgf/cm²를 적용하여 파이프의 강도안전을 고찰하였다. 그리고, 파이프의 두께, 주름의 피치와 높이가 파이프의 응력과 변형에 미치는 영향을 고찰하기 위해 Table 2에서 제시한 데이터를 사용하였다.
본 논문에서는 오일, 연료, 물과 같은 액체를 수송하기 위한 파이프의 응력과 변형거동 특성에 대해 유한요소법으로 해석하였다. 파이프에 작용하는 오일의 액압을 균일하게 적용한 상태에서 파이프의 두께, 주름의 피치와 높이를 변화시키면서 거동특성을 관찰하였다. 또한, 기존의 둥근 파이프와 각형 파이프를 갖는 두 모델 사이의 거동특성을 함께 비교하였다.
3은 오일의 액압이 5 kgf/cm², 25 kgf/cm², 50 kgf/cm²일 때, 기존의 원형모델에서 주름피치에 따른 von Mises 최대응력을 예측한 해석결과이다. 피치의 기본값은 6 mm이지만, 4 mm와 8 mm로 변화시키면서 파이프에 작용하는 응력을 관찰하였다. 파이프에 일정한 오일액압 5 kgf/cm²이 작용할 경우는 피치에 따른 차이가 약 0.

대상 데이터

4mm이다. FEM 해석에 사용한 파이프의 재질은 강도, 인성, 용접성 등이 우수한 SUS316으로 기계적 물성치를 Table 1에서 제공한다.
Fig. 1에서 제시한 파이프의 전체길이는 500mm이고, 중심부에 형성된 주름길이는 300 mm, 주름을 제외한 양끝단의 길이는 100 mm이다. 또한, 파이프의 설계기준은 두께 0.
파이프에 가해지는 오일의 액압은 5, 10, 14, 20, 25, 30, 50 kgf/cm²를 적용하여 파이프의 강도안전을 고찰하였다. 그리고, 파이프의 두께, 주름의 피치와 높이가 파이프의 응력과 변형에 미치는 영향을 고찰하기 위해 Table 2에서 제시한 데이터를 사용하였다. Table 2에서 밑줄친 데이터는 FEM 해석에 사용한 기본 설계치를 의미한다.
파이프에 형성된 주름은 원형이 대부분이지만, 정8각 형상으로 제작된 경우도 있다[3,4]. 본 연구에서는 오일용 파이프에 대해 고려한 모델은 Fig. 1에서 보여준 것처럼 2개이다. 즉, Fig.
파이프는 철강소재, 알루미늄 및 동합금과 같은 비철소재, PVC와 같은 플라스틱 소재 등을 사용하여 제작한다. 강재로 제작하는 파이프는 강판이나 강재코일을 원통형상으로 성형하는 과정에 형성되는 접합선을 용접한 파이프와 접합선이 없는 파이프의 두 종류가 생산되고 있다.

성능/효과

Figs. 7~9의 해석결과를 요약하면, 파이프의 두께, 피치의 길이와 높이는 축방향의 최대변위에 영향을 미치는 것을 알 수 있다. 설계요소에서 피치가 큰 영향을 미친다는 사실은 파이프 설계에서 가장 중요하게 다루어져야 한다.
이러한 해석결과는 피치가 작을수록, 즉 주름이 상대적으로 많아질수록 오일의 액압에 의한 변형 거동량은 증가한다는 것을 의미한다. 결과적으로 파이프의 유연성을 확보하기 위해서는 주름피치를 작게 설계하는 것이 유리하지만, 파이프의 변위량은 크게 발생하므로 고정위치 제어측면에서는 불리하다.
특히, 피치의 높이와 두께는 각각의 변화에 따라 변위량과 응력이 급격히 변화하기 때문에 중요한 설계인자임을 알 수 있다. 또한, 응력측면에서 보면 각각의 설계인자에 따라 오일의 액압이 증가할수록 파이프에서 발생하는 응력이 항복강도보다 높은 허용액압이 존재하였다. 이 결과는 액압에 따라 파이프의 형상이 간단한 구조로 변경되거나 경량화를 위해 얇아질 수 있다는 것을 의미한다.
02956 mm의 변위량이 발생하였다. 즉, 주름피치가 감소할수록 변위량은 크게 발생하고, 또한 변위량 증가폭은 오일의 액압이 높아질수록 증가하는 경향을 보여준다. 이러한 해석결과는 피치가 작을수록, 즉 주름이 상대적으로 많아질수록 오일의 액압에 의한 변형 거동량은 증가한다는 것을 의미한다.

후속연구

파이프의 두께가 얇고 단면의 형상이 급격하게 변화는 부분은 응력이 집중되기 때문에 당연히 배제되어야 한다. 그러나 파이프를 잡고 용이하게 체결하기 위해서 각형은 유용한 부분이므로 단면형상이 변화되는 각 형의 에지부분을 라운드 처리하면 응력집중을 제거할 수 있으므로 이에 대한 최적설계가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	파이프는 무엇으로 사용되어지는가?	파이프(pipe)는 오일, 연료, 물과 같은 액체를 안전하고 효율적으로 공급하기 위한 수단으로 널리 사용하고 있다. 액체를 생산지에서 수요처까지 신속하고 안전하게 수송하기 위해서는 긴 배관망을 구축해야 하므로 초기 투자비가 많이 드는 문제는 있으나, 중장기적으로 보면 운송비용과 유지비용을 크게 낮출 수 있다는 장점이 있다.
	파이프를 제작하기 위한 소재는 무엇인가?	파이프는 철강소재, 알루미늄 및 동합금과 같은 비철소재, PVC와 같은 플라스틱 소재 등을 사용하여 제작한다. 강재로 제작하는 파이프는 강판이나 강재코일을 원통형상으로 성형하는 과정에 형성되는 접합선을 용접한 파이프와 접합선이 없는 파이프의 두 종류가 생산되고 있다.
	파이프의 장단점은 무엇인가?	파이프(pipe)는 오일, 연료, 물과 같은 액체를 안전하고 효율적으로 공급하기 위한 수단으로 널리 사용하고 있다. 액체를 생산지에서 수요처까지 신속하고 안전하게 수송하기 위해서는 긴 배관망을 구축해야 하므로 초기 투자비가 많이 드는 문제는 있으나, 중장기적으로 보면 운송비용과 유지비용을 크게 낮출 수 있다는 장점이 있다.

참고문헌 (4)

김우식, '가스배관 재료의 기술 현황', 유체기계저널, 제6권, 제2호, pp.99-103, 2003

원문보기 상세보기
류해성, '배관', 대한설비공학회 강연회 및 기타간행물, pp.157-236, 1995
안석환, 남기우, '감육된 탄소강배관의 변형과 파괴거동', 한국해양공학회지, 제20권, 제4호, pp.17-23, 2006

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안석환, 남기우, '굽힘하중을 받는 배관의 파손에 미치는 감육의 영향', 대한기계학회 논문집 A권, 제29권, 제4호, pp.606-613, 2005

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저자의 다른 논문 :

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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