[논문]파이프 융착기의 구조해석 및 설계변경

이종선

doi:10.5762/kais.2010.11.11.4075

파이프 융착기의 구조해석 및 설계변경
Structural Analysis and Design Change of Pipe Butt Welding Machine 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.11 no.11, 2010년, pp.4075 - 4079

초록
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본 논문의 목적은 현재 도기가스, 상하수도 및 화학배관 파이프 등의 플라스틱 배관 공사에서 사용되는 파이프 융착기를 3차원 설계하고 융착 시 발생하는 문제점을 해결하기 위하여 구조해석에 의한 검증작업을 거쳐 구조를 개선한다. 현장에서 파이프 융착 작업 시 융착기 크램프에 크랙이 발생하므로 이를 개선하기 위하여 융착기의 구조를 변경하는 설계치를 제시함으로서 작업의 효율성을 높이고 기술경쟁력을 향상시킨다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, structural analysis was conducted by ANSYS code for three dimensional finite element method to the pipe butt welding machine. Based on this numerical structural analysis, stress, strain and total deformation were obtained and the design change of the pipe butt welding machine was made...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 해석과 설계를 통하여 업체에서는 가공 시간을 단축하고, 재료비 절감과 생산성 향상이 예상되는 신제품 생산을 계획하고 있다.

제안 방법

이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 현재 생산하고 있는 파이프 융착기를 3차원 자동설계 프로그램인 SolidWorks[1]를 활용하여 설계하고 제작 시 필요한 도면을 설계하였다. 그리고 3차원 유한요소해석 코드인 ANSYS[2-3]를 활용하여 설계된 파이프 융착기에 대하여 구조해석[4-7]을 수행하여 융착기의 응력, 변형률, 최대 변형량 등을 구하였다.
파이프 융착기에 파이프를 고정시키기 위해서는 두 개씩 한 쌍의 크램프 간의 결합이 되어야 하는데 이 결합과정에서 크랙이 일어나므로 크램프 간의 결합부위에 하중을 주어 해석하였으며 융착기의 밑면은 고정이므로 Fix 조건을 주었다. 또한 융착기 크램프 부분의 구조적 특성과 응력분포를 알아보기 위해 실제 현장작업의 하중보다 과도한 100kg, 즉 980N의 하중을 각 크램프의 연결부위 8곳에 주어 해석하였다. 그림 7은 하중조건을 나타낸다.
본 해석에서는 융착기의 크램프에 크랙이 일어나는 원인을 알기 위해서 융착기 크램프 만을 해석에 사용하였다. 융착작업 시에 함께 사용되어지는 열판과 면치기는 해석에서 제외시켰다.
파이프 융착기를 3차원 자동설계 프로그램인 SolidWorks를 사용하여 모델링하였다. 융착기의 크램프 부분, 열판, 면치기, 열판과 면치기를 모델링하였으며 원활한 해석을 위하여 간략화 시키고, 불필요한 부분은 제거하였다.
이 해석에서는 융착기의 중요 요소인 크램프의 크랙여부가 가장 중요하므로 크램프 부분은 조밀하게 메쉬로 나누어 해석하고 나머지 부분은 원활한 해석을 위하여 간단하게 메쉬를 나누어 해석하였다.
파이프 융착기에 파이프를 고정시키기 위해서는 두 개씩 한 쌍의 크램프 간의 결합이 되어야 하는데 이 결합과정에서 크랙이 일어나므로 크램프 간의 결합부위에 하중을 주어 해석하였으며 융착기의 밑면은 고정이므로 Fix 조건을 주었다. 또한 융착기 크램프 부분의 구조적 특성과 응력분포를 알아보기 위해 실제 현장작업의 하중보다 과도한 100kg, 즉 980N의 하중을 각 크램프의 연결부위 8곳에 주어 해석하였다.
현장에서 작업 시 배관용 파이프를 융착하기 위하여 파이프를 융착기의 크램프에 고정시킬 때 크램프에 크랙이 발생하는 이유를 규명하기 위하여 융착기에 대한 구조해석을 3차원 유한요소해석코드인 ANSYS를 사용하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었으며, 이 해석결과를 신제품 개발 시 설계변경에 반영하였다.

대상 데이터

융착작업 시에 함께 사용되어지는 열판과 면치기는 해석에서 제외시켰다. 융착기 크램프에 사용된 재질은 구조용강(structural steel)과 알루미늄 합금(aluminium alloy)으로서 물성치는 표 1, 표 2와 같다.[8]

이론/모형

이러한 현상은 사용자의 부주의도 있지만 크램프의 재질에도 문제가 있다고 판단 된다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 현재 생산하고 있는 파이프 융착기를 3차원 자동설계 프로그램인 SolidWorks[1]를 활용하여 설계하고 제작 시 필요한 도면을 설계하였다. 그리고 3차원 유한요소해석 코드인 ANSYS[2-3]를 활용하여 설계된 파이프 융착기에 대하여 구조해석[4-7]을 수행하여 융착기의 응력, 변형률, 최대 변형량 등을 구하였다.
파이프 융착기를 3차원 자동설계 프로그램인 SolidWorks를 사용하여 모델링하였다. 융착기의 크램프 부분, 열판, 면치기, 열판과 면치기를 모델링하였으며 원활한 해석을 위하여 간략화 시키고, 불필요한 부분은 제거하였다.

성능/효과

(2) 해석결과 변형량과 응력의 분포는 크램프가 맞닿는 부분에서 집중되었으며 특히 크램프의 연결부위에 집중적으로 나타났다. 이는 실제 작업시에도 크랙이 발생하는 부위이므로 연결부위에 대한 설계변경이 필요하다.
(3) 해석 시 현장의 작업환경보다 과도한 하중을 적용하였지만 소재의 항복점보다 낮은 응력을 나타내어 안전성에는 문제가 없다는 것을 알 수 있다.
경계조건과 하중조건을 이용하여 파이프 융착기의 구조해석을 유한요소해석 코드인 ANSYS를 활용하여 수행한 결과 전체 변형량(total deformation), 변형률(Strain), 응력(Stress) 값을 구할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	융착이란?	일반적인 배관 연결방법으로는 융착(fusion)이 있다. 융착이란 모재 자체를 용융시켜서 용융상태에서 접합하는 것을 말한다.
	열융착은 융착 방법에 따라 무엇으로 구분할 수 있는가?	융착의 종류는 크게 열융착과 전기융착으로 구분하고 열융착은 융착 방법에 따라 맞대기 융착(butt fusion), 소켓 융착(socket fusion), 새들 융착(saddle fusion)으로 구분한다.
	본 논문에서 융착기의 크램프에 크랙이 발생하는 현상 해결을 위해 진행한 것은?	이러한 현상은 사용자의 부주의도 있지만 크램프의 재질에도 문제가 있다고 판단 된다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 현재 생산하고 있는 파이프 융착기를 3차원 자동설계 프로그램인 SolidWorks[1]를 활용하여 설계하고 제작 시 필요한 도면을 설계하였다. 그리고 3차원 유한요소해석 코드인 ANSYS[2-3]를 활용하여 설계된 파이프 융착기에 대하여 구조해석[4-7]을 수행하여 융착기의 응력, 변형률, 최대 변형량 등을 구하였다.

참고문헌 (8)

Solidworks User's Manual Revision 3.0, SolidWorks Co., 2006.
ANSYS User's Manual Ver.11.0, ANSYS Inc., 2008.
(주)태성에스엔이 FEA사업부, "ANSYS Workbench", 시그마프레스, 2007.
William Weaver, Jr. and R. Johnston, "Finite Elements for Structural Analysis". PRENTICE HALL, INC. 1993.
이종선, "트레드밀 롤러의 구조/진동해석", 한국공작기계학회논문집, 제14권, 제2호, pp. 62-68, 2005.

원문보기 상세보기
이종선, "노르딕 기구의 진동해석", 한국산학기술학회논문지, 제7권, 제5호, pp.766-770, 2006.

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이종선, "초미립자 살포기의 설계 및 구조개선", 한국산학기술학회논문지, 제11권, 제1호, pp.43-48, 2010.

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James shakelford and William Alexander, "Material Science and Engineering Hand Book", CRC Press, 1994.

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