[논문]열적-기계적 반복하중을 받고 있는 엔진 배기매니폴드의 열피로 수명예측

최복록; 장훈

doi:10.3795/ksme-a.2010.34.7.911

열적-기계적 반복하중을 받고 있는 엔진 배기매니폴드의 열피로 수명예측
Prediction of Thermal Fatigue Life of Engine Exhaust Manifold under Thermo-mechanical Cyclic Loading 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.911 - 917

최복록 (강릉원주대학교 기계자동차공학부) , 장훈 (현대자동차 파워트레인해석팀)

초록
AI-Helper

본 연구에서는 열적-기계적 주기하중을 받고 있는 엔진 배기매니폴드에 대해서 열응력 해석방법과 열피로수명 예측과정을 제시하였다. 즉, 파손현상이 복잡한 배기시스템의 효율적인 유한요소 모델링 방법과 온도 의존성 재료의 시험결과를 이용한 해석 데이터 구성, 그리고 열사이클 하중에 대한 열응력 및 파손 예측방법을 디젤엔진의 배기매니폴드에 대해서 나타내었다. 일반적으로 배기매니폴드의 파손 취약부에서는 고온영역에서 큰 압축소성변형이 발생하고 냉각시에는 인장의 잔류응력이 나타난다. 따라서 이같은 응력과 변형률의 이력곡선으로부터 소성변형의 진폭 또는 소성에너지의 크기를 얻을 수 있으며 이를 통해서 피로수명을 예측할 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we performed structural and fatigue analyses of the engine exhaust manifold that was subjected to thermo-mechanical cyclic loading. The methodologies used in this study are based on an approach in which the techniques for modeling the exhaust system, the temperature-dependent properties of the material, and thermal cyclic loading are taken into consideration and a reliable strategy is adopted for failure prediction. An application example shows that at an elevated temperature, considerable compressive plastic deformation is observed and that at a low temperature, tensile stresses remain in those parts of the test exhaust manifold where failure is observed. In order to predict fatigue life, mechanical damage is determined on the basis of the stress.strain hysteresis loops by using the classical Coffin.Manson equation and by adopting a method in which the dissipated plastic energy is taken into consideration.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 배기매니폴드의 내구성을 평가하기 위해서 많이 수행하는 열충격 시험모드를 대상으로 해석적인 방법을 활용해서 내구성을 예측하기 위한 해석과정을 제시하였다. 이와 같은 시험모드에서는 대부분 고온에서의 유지시간이 매우 짧으므로 크립의 영향은 배제하였으며, 또한 산화에 의한 손상은 일반적으로 열적인 하중으로 인한 손상에 비해 그 효과가 매우 적으므로 고려하지 않았다.
본 연구에서는 엔진부품 중 매우 복잡한 파손 현상을 나타내는 배기매니폴드에 대해서 정량적인 피로수명 예측을 위한 해석적인 방법을 제시하였으며 요약하면 다음과 같다.

제안 방법

(1) 파손현상이 복잡한 배기매니폴드를 대상으로 효율적인 배기계의 유한요소 모델링 방법을 제시하였다.
이와 같은 시험모드에서는 대부분 고온에서의 유지시간이 매우 짧으므로 크립의 영향은 배제하였으며, 또한 산화에 의한 손상은 일반적으로 열적인 하중으로 인한 손상에 비해 그 효과가 매우 적으므로 고려하지 않았다. 그리고 해석모델은 주물형 배기매니폴드를 대상으로 하였으며, 설계단계에서 적극 활용할 수 있는 배기계의 모델링 방법과 비선형 열응력 해석을 위한 열적 하중조건, 주기하중 하에서의 재료의 거동을 정의하는 방법, 그리고 유한요소 해석결과를 이용한 배기매니폴드의 열피로 수명예측 과정이 주요 연구내용으로 구성되어 있다. 한편, 해석결과는 실제 엔진의 열충격 시험을 통해서 발생한 파손현상과 비교함으로써 해석방법의 신뢰성을 검증하였다.
뿐만 아니라 엔진개발 초기단계에서는 실린더헤드와 실린더블록 등의 형상이 정확히 구체화되어 있지 않으므로 엔진 전체계를 포함하는 모델을 해석에 활용한다는 것은 거의 불가능하다. 따라서 엔진의 초기 개발단계에서 유용하게 활용할 수 있는 단순화된 배기계 모델링 방법을 제시하였으며, Fig. 2와 같다. 즉, 배기계를 탄성지지하는 실린더헤드와 실린더블록 부분을 단순화된 박스형의 모델로 대체함으로써 모델의 자유도가 크게 감소하며, 따라서 해석시간이 많이 절약될 수 있을 뿐만 아니라 실제로 엔진설계 초기단계에서 효과적으로 활용할 수 있다.
3은 주물형 배기매니폴드에서 많이 사용하고 있는 주강재질에 대해서 고온에서 저주기 피로시험을 통해서 얻어진 이력곡선의 한 예를 나타난 것이다. 변형률 진폭은 0.35%, 0.4%, 0.5%, 0.65% 네 가지 경우에 대해서 측정하였으며, 각각의 히스테리시스 곡선은 원점에 대해 대칭인 형상을 나타내고 있다. 이 같은 이력곡선들을 이용해서 재료의 기하학적 매개변수들을 얻을수 있으며 주기하중 하의 재료의 입력 데이터로 사용할 수 있다.
열충격 내구시험을 통해서 발생한 배기매니폴드에서의 크랙현상을 해석적으로 재현하기 위해서 앞장에서 구성한 단순 등가형의 배기계 모델을 이용해서 유한요소 해석을 수행하였다. Fig.
한편 배기매니폴드는 엔진 작동시 상온부터 매우 높은 온도범위까지 거동하므로 온도변화에 따른 재료의 주기적 거동을 정확히 묘사해 주어야 한다. 이와 같은 입력데이타들을 이용해서 비선형 열응력해석을 수행하게 되며, 마지막으로 배기매니폴드의 수명을 예측하는 방법을 제시하였다.
그리고 해석모델은 주물형 배기매니폴드를 대상으로 하였으며, 설계단계에서 적극 활용할 수 있는 배기계의 모델링 방법과 비선형 열응력 해석을 위한 열적 하중조건, 주기하중 하에서의 재료의 거동을 정의하는 방법, 그리고 유한요소 해석결과를 이용한 배기매니폴드의 열피로 수명예측 과정이 주요 연구내용으로 구성되어 있다. 한편, 해석결과는 실제 엔진의 열충격 시험을 통해서 발생한 파손현상과 비교함으로써 해석방법의 신뢰성을 검증하였다.

데이터처리

즉, 해석을 위해서 필요로 하는 볼트 체결력과 같은 기계적 하중과 열충격 사이클에 따른 열적하중을 정확히 입력해야 하며, 또한 실제 엔진상태에서의 구속조건을 최대한 근사화해서 표현하여야 한다.^(8~10)본 연구에서 적용한 온도분포는 열충격 내구시험 조건을 상사한 해석결과를 이용하였으며, 시험에서 측정한 결과와 비교함으로써 신뢰성을 검증하였다. 한편 배기매니폴드는 엔진 작동시 상온부터 매우 높은 온도범위까지 거동하므로 온도변화에 따른 재료의 주기적 거동을 정확히 묘사해 주어야 한다.

성능/효과

(2) 주기하중 하의 실제 재료의 거동을 고려한 구성방정식을 구성하였으며, 저주기 피로시험 결과와 비교한 결과 매우 잘 일치하였다. 따라서 정의한 재료의 파라메타 값들이 실제 재료의 주기적 특성을 잘 나타낸다고 할 수 있다.
(3) 배기계의 변형거동을 분석한 결과, 크랙발생부에서의 실제 균열현상은 배기계 하단부의 열적 구속에 의한 굽힘과 비틀림 하중이 주요 원인으로 사료되며, 열응력 해석결과 균열발생부에서 최대 소성변형이 나타나고 있다.
(4) 응력과 변형률의 이력곡선을 이용해서 피로 수명과 밀접한 관계에 있는 소성변형률 진폭이나 또는 단위 사이클당 소성일의 크기를 얻을 수 있으며, 이를 이용해서 배기매니폴드의 열피로 수명을 정량적으로 예측할 수 있다.
4는 저주기 피로시험 결과를 이용해서 재료의 주기적 특성을 얻기 위한 데이터 값과 얻어진 파라메타 값들을 이용해서 각 변형률 진폭에 대해 해석한 결과를 시험결과와 비교한 것이다. 모든 변형률 진폭에서 해석과 시험결과가 매우 잘 일치함을 알 수 있으며, 따라서 해석모델에서 재료의 특성이 근사하게 정의되었음을 확인할 수 있다.

후속연구

본 연구에서는 대상으로 한 배기매니폴드 재질의 열적-기계적 피로시험 데이터가 없으므로 크랙 발생부에서의 수명을 정량적으로 구하지 못하였으나, 향후 해당 재질의 피로시험 데이터를 확보함으로써 유한요소 해석을 통해서 구한 소성변형률 진폭이나 또는 사이클당 소산된 소성일의 크기를 이용해서 피로수명을 정량적으로 계산할 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	자동차 엔진에서 배기매니폴드의 역할은?	자동차 엔진에서 배기매니폴드는 엔진의 연소과정에서 발생한 고온의 배기가스를 모아서 촉매와 소음기를 통해 외부로 보내는 역할을 한다. 따라서 배기매니폴드는 배기가스의 정화 효율과 엔진의 성능에 많은 영향을 미치는 매우 중요한 요소이다.
	배기매니폴드의 내구성을 평가하기 위해 열충격 시험모드를 대상으로 해석을 수행하였는데, 배제한 요인들은 무엇인가?	본 연구에서는 배기매니폴드의 내구성을 평가하기 위해서 많이 수행하는 열충격 시험모드를 대상으로 해석적인 방법을 활용해서 내구성을 예측하기 위한 해석과정을 제시하였다. 이와 같은 시험모드에서는 대부분 고온에서의 유지시간이 매우 짧으므로 크립의 영향은 배제하였으며, 또한 산화에 의한 손상은 일반적으로 열적인 하중으로 인한 손상에 비해 그 효과가 매우 적으므로 고려하지 않았다. 그리고 해석모델은 주물형 배기매니폴드를 대상으로 하였으며, 설계단계에서 적극 활용할 수 있는 배기계의 모델링 방법과 비선형 열응력 해석을 위한 열적 하중조건, 주기하중 하에서의 재료의 거동을 정의하는 방법, 그리고 유한요소 해석결과를 이용한 배기매니폴드의 열피로 수명예측 과정이 주요 연구내용으로 구성되어 있다.
	배기매니폴드의 내구성이 취약한 이유는?	따라서 배기매니폴드는 배기가스의 정화 효율과 엔진의 성능에 많은 영향을 미치는 매우 중요한 요소이다. 그러나 구조적인 측면에서 배기매니폴드는 고온의 배기가스가 지나가는 통로이므로 열적인 하중뿐만이 아니라 고온에서의 크립변형과산화작용 등의 영향을 복합적으로 받고 있으므로 내구성이 매우 취약하다.(1~3) 이같은 배기매니폴드의 내구성을 시험적으로 평가하기 위해서 일반적으로 열충격 내구시험과 고온에서의 장시간 연속 운전을 통해서 파손 유무를 판단하고 있다.

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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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