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[국내논문] 일체형 배기다기관 설계 및 성능 평가
Design and Performance Evaluation of Integrated Exhaust Manifold 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.34 no.7=no.298, 2010년, pp.905 - 910  

오진호 (Korea Atomic Energy Research Institute) ,  류정수 (Korea Atomic Energy Research Institute) ,  김재현 (POSCO Technology Research Institute) ,  최한호 (POSCO Technology Research Institute)

초록
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일체형 배기다기관은 하이드로 포밍 대량 생산이 가능한 부품으로 국내, 국제적인 환경문제에 따른 배출 규제와 매우 밀접한 관계에 있기 때문에, 국내 완성차 업체에서 큰 관심을 가지고 있다. 일반적인 주조부품과 비교해서 관형 배기다기관은 용접공정 감소에 따른 단순화된 제작 공정 뿐만아니라, 엔진 시동시 가스 분해능이 우수한 특징을 가지고 있다. 본 연구는 부품, 공정, 금형 설계를 포함하는 배기다기관을 개발하는데 목적이 있다. 배기 시스템의 성능은 유동해석, 열전달, 열응력, 내구해석 시뮬레이션을 통해 평가하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Exhaust manifolds are the first structures to be developed by hydroforming; mass production of exhaust manifolds by this method will be possible soon. This is obviously related with tight emission regulation induced by environmental problems commonly for both domestic and worldwide and standards, th...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 주조로 제작된 배기 다기관을 하이드로포밍 부품으로 대체하기 위한 연구를 수행하였다. 성형성 평가를 위해 유한요소 성형 해석, 공정설계, 금형설계, 개발된 하이드로포밍 매니폴드의 성능평가를 수행하여 타당성을 살펴보았다.
  • 본 연구에서는 하이드로포밍 배기다기관 부품을 개발하였으며, 공정설계 및 금형설계를 수행하였다. 또한 시스템에 대한 각종 해석을 수행하여 하이드로포밍 매니폴드의 적용가능성을 보여주었다.
  • 3 단계는 열충격 사이클의 최종 단계인 냉각 (cooling-down)(step 3) 상태에 대한 열응력 해석을 수행하였다. 이는 앞서 수행된 볼트 체결력만을 고려한 step 1, 가열(heating-up) 상태인 step 2 결과에 의해서 영향을 받는 단계로서 궁극적으로는 다음에 설명할 피로 평가를 위한 잔류 등가 소성 변형률을 얻는 것이 목적이다. 즉, 전체 시스템 온도가 상온 20℃로 냉각되었을 때의 잔류 응력 및 잔류 변형률을 계산한다.

가설 설정

  • 6 을 넘지 않았다. 따라서 기본 이론을 사용하여 피로 연성 지수는 -0.5~-0.6 으로 가정하였다. 또한 SUS304 의 단면 감소율도 50% 이상으로 알려져 있어서 가장 보수적인 값으로 이를 이용하였다.
  • 열응력 해석에 사용된 유한요소 모델에는 총 3 종류의 요소가 사용되었으며 이는 플랜지(flange)와 실린더 헤드에 사용된 Solid45 요소와 런너 및 콜렉터에 사용된 Shell43 요소, 그리고 contact 처리에 사용된 Contac52 요소로 구성된다. 시스템을 구성하는 각 영역의 재질은 런너 및 콜렉터는 SUS304 로 구성되어 있으며, 실린더 헤드와 유입/유출 플랜지 (inlet/outlet flange)는 알루미늄 4032, 볼트는 SS400 으로 각각 가정하였다.
  • 즉, 피로 파손에 대한 예측으로 1,623 사이클이 얻어진다. 이 계산에서 사용된 단면 감소율은 단축 인장 시험 등을 통해 얻어지는 기계적 물성치인데 여기에서는 0.5(=50%)로 가정하였다. 또한 피로 연성 지수를 -0.
  • 사용된 프로그램은 LS-Dyna이다. 하이드로포밍 성형 시 Stamping보다 스프링백 발생이 적기 때문에, 본 연구에서는 스프링백 현상을 고려하지 않았다. 소재는 SUS304이며 외경은 34 mm, 두께 2 mm의 튜브를 사용하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
배기다기관은 어떤 시스템중 하나인가? 배기다기관(exhaust manifold)은 자동차 운행시 성능의 제고 및 최근 규제가 강화되고 있는 유해 배출 가스에 의한 환경오염과 관련하여 그 중요성이 널리 인식되고 있는 중요 시스템 중의 하나이다. 초기에는 제작의 편의성으로 주물 일체형 타입의 배기다기관이 제작되었으나, 이후에 부품 경량화 및 제작 시간 단축과 같은 효율성 측면이 대두 되면서, 프레스 성형 및 튜브 벤딩에 의한 스테인리스 배기다기관 제품이 유럽과 일본 등에서 널리 사용되었다.
하이드로포밍 제작 방법은 부품수 감소, 온도편차에 의해 발생되는 잔류응력 감소등 기존 주조 및 스템핑(stamping)에서 발생 되는 여러 어려움을 해결할 수 있는 방안으로 제시한 관련 해석내용을 정리한다면? (1) 유동해석 : 각 런너에 0.0232kg/s 의 유동 유량이 발생하는 경우에 대해서 정상 상태, 압축성 난류 유동해석을 수행하였으며 각 경우에 대해서 유속 및 압력 분포를 계산하였다. 각 경우에 대해서 최대 유속은 130~160m/s 로 계산되었으며 기하학적으로 비대칭이므로 런너별 유입시 서로 다른 속도 분포가 얻어졌다. (2) 고유진동수 해석 : ANSYS 를 사용하여 고유 진동수 해석을 수행하였으며, 그 결과 1 차 고유 진동수는 640.14Hz 가 계산되었다. 1 차 고유 진동수가 200Hz 이상이 요구되는 점을 감안할 때, 현 설계 제품이 고유 진동수와 관련된 문제점은 없을 것으로 판단된다. (3) 열전달 해석 : 열충격 사이클 해석을 위한 1차 단계로서 전체 시스템에 대한 열전달 해석을 수행하였으며 최고 온도 809℃가 콜렉터 중앙부근에서 산출되었다. (4) 열응력 해석 : 체결 볼트에 적용되는 경우에 대해서 구조해석을 수행하였다.(step 1) 그리고 최대 열부하가 적용되는 step 2 는 열전달 해석 결과를 초기 온도 분포로 사용하며 응력 및 변형률을 계산하였다. step 2 는 독립적인 해석 결과로서의 의미는 없으며 step 3 에서의 잔류 응력 및 변형률을 계산하고 최종적으로 피로 수명을 평가하기 위한 중간 과정이다. step 3 은 상온으로 냉각된 상태에서의 잔류 응력 및 소성 변형률을 계산한다. 현재 모델에서 최종 잔류 소성 변형률은 0.0164 로 얻어졌으며 발생 위치는 런너 1 과 콜렉터 연결부였다. 또한 잔류 응력은 458MPa 로서 런너 1 과 2 그리고 콜렉터가 연결되는 부분에서 발생하였다. (5) 피로 평가 : 열응력 해석 step 3 의 결과인 잔류 소성 변형률 0.0164 와 문헌 등을 참고한 피로연성지수와 단면 감소율 RA=0.5 를 사용하여 피로 평가를 수행하였다. 작동 환경이 LCF(Low Cycle Fatigue)에 해당되므로 Coffin-Manson 법을 사용하여 평가 (7) 하였으며 피로수명은 1,683 사이클이 얻어졌다. 이는 통상적으로 사용되는 1,000 사이클을 상회하므로 개발 모델은 기존 수명을 만족하는 것으로 판단된다.
배기다기관의 성능평가는 어떻게 구성되는가? 배기다기관은 엔진에서 발생되는 고온의 배기가스가 가장 먼저 지나가는 유동관으로 고온, 고압의 환경하에 놓여 있기 때문에 부품 성능평가는 매우 중요한 분야이다. 배기다기관의 성능평가(1~3)는 기본적으로 유동해석, 열전달, 열응력 해석 및 피로 평가(4)로 구성된다. 특히, 반복적인 열하중 부과로 인한, 피로 파손 특성 분석은 매우 중요한 평가 분야이다.
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참고문헌 (7)

  1. Seo, T. W., 2007, "thermal fatigue life prediction ofengine exhaust manifold," KSAE, Vol. 15, pp.139-145. 

  2. Kim, B. G. and Lee, E. H., 2007, "ThermalDeformation Analysis of Exhaust Manifold for TurboDiesel Engine," KSAE, Vol. 31, No. 3, pp. 338-343. 

  3. Lee, G. D., Ha, T. K. and Jung, J. Y., 2009,"Characterization of High Temperature MechanicalProperties of Cast Stainless Steels for ExhaustManifold," KSTP, Vol. 18, No. 3, pp. 217-222. 

  4. Julie A. Bannantine, Jess J. Comer and James L.Handrock, 1990, "Fundamentals of Metal FatigueAnalysis," Prentice Hall. 

  5. Ganesh Sundara Raman S. and Radhakrishnan V. M.,2002, "On cyclic stress-strain behavior and low cyclefatigue life," Materials and Design, Vol. 23, pp.249-254. 

  6. S Ganesh Sundara Raman and Padmanabhan, K. A.,1995, "A comparison of the room-temperaturebehavior of AISI 304LN stainless steel and Nimonic90 under strain cycling," Int. J. Fatigue, Vol. 17, No. 4,pp. 271-277. 

  7. Vareda, L. V. and Spinelli D., 2001, "Fatigue,monotonic and fracture toughness properties of a Cr-Mn-N steel," International Journal of Fatigue, Vol. 23,pp. 857-863. 

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