[논문]엔진 부품에 대한 피로 및 전동해석

조재웅; 한문식

엔진 부품에 대한 피로 및 전동해석
Fatigue and Vibration Analysis on Engine Parts 원문보기

한국공작기계학회지 = Journal of the Korean society of machine tool engineers, v.19 no.3, 2010년, pp.321 - 325

조재웅 (공주대학교 기계자동차공학부) , 한문식 (계명대학교 기계자동차공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

This study analyzes the results with the simulation of heat transfer, structural stress, fatigue and vibration on main parts of engine. The maximum temperature is shown by $300.73^{\circ}C$ on the upper part of piston with the heat transfer. Maximum total deformation or equivalent stress is shown by 65.31mm or 21364MPa respectively at the upper plane of piston with the structural analysis inclusive of heat transfer. The minimum life is shown by the cycle less than $10^7$ at the part of crankshaft with the fatigue analysis. The frequency with the maximum amplitude of deformation is shown by 14Hz. Maximum total deformation or equivalent stress is shown respectively by 93.99mm on the upper plane of piston or 42625MPa at the part connected with crack shaft and connecting rod at 14Hz. The durability of engine design can be verified by using the analysed result of this study.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 엔진의 주요 부품에 대한 열전달 및 응력, 피로 및 진동해석을 통하여 다음과 같은 해석결과를 보였다.

제안 방법

열 해석 결과로 나온 온도 분포를 바탕으로 경계조건을 설정한다. 크랭크축을 Fixed Support하고, 피스톤상부에는 폭발가스 압력과 피스톤 왕복 운동에 의한 압력으로 구속조건을 설정하였다. Fig.

대상 데이터

본 연구 모델의 전체 크기는 길이, 폭, 높이가 각각 200mm, 120mm, 200mm이고, 2009년식 뉴 SM3 엔진을 모델링한 것으로서, 피스톤의 직경이 80mm, 스커트부의 높이가 60mm, 스몰엔드부의 중심으로부터 빅 엔드부의 중심까지의 거리가 130mm이다. Fig. 1과 같이 피스톤과 피스톤 핀, 커넥팅로 드, 커넥팅 로드 캡, 크랭크축으로 구성되어 있다. Fig.
1과 같이 피스톤과 피스톤 핀, 커넥팅로 드, 커넥팅 로드 캡, 크랭크축으로 구성되어 있다. Fig. 2에서와 같이 해석상 절점 수는 89442개이고 요소 수는 47636개로 하였다.
본 연구 모델의 전체 크기는 길이, 폭, 높이가 각각 200mm, 120mm, 200mm이고, 2009년식 뉴 SM3 엔진을 모델링한 것으로서, 피스톤의 직경이 80mm, 스커트부의 높이가 60mm, 스몰엔드부의 중심으로부터 빅 엔드부의 중심까지의 거리가 130mm이다. Fig.

이론/모형

5에서와 같이 피스톤에 작용되는 힘을 작용하여 피로 해석을 수행하였다. Fig. 8과 같이 피로해석의 형태는 Zero based로 하였고, 평균 하중을 정의하는 Goodman 식을 사용하였다. 그리고 피로 설계 수명은 106사이클로 정하였다.

성능/효과

(2) 열전달을 포함한 구조해석에서는 전변형량은 65.31mm 이고 등가 응력은 21364MPa로서 피스톤의 윗면에서 가장 많이 변형되었다.
(3) 피로해석에서는 최소수명이 크랭크축의 일부분에서 107 미만의 Cycle로서 나타났다.
(4) 최대의 진폭을 나타낸 진동수 14Hz에서 해석을 수행했을 때 최대의 전변형량은 피스톤의 윗면에서 93.99mm 이었으며, 최대의 등가 응력은 크랭크축과 커넥팅 로드가 연결되는 부위에서 42625MI이었다.
(5) 본 연구에서의 해석 결과로서 엔진 설계의 내구성을 검증할 수 있었다.
설계단계에서 ANSYS를 통한 정상상태의 열 전달 해석을 수행열에 의해 팽창되는 열응력과 작동 중 발생하는 압력을 적용 피스톤의 열/구조 연성해석을 구현할 수 있었디. 또한 피스톤과 엔진의 주요부품들의 열에 의한 변형량 해석과 피로해석 및 피스톤의 진동해석을 하였으며, 본 연구에서의 해석 결과로서 엔진 설계의 내구성을 검증할 수 있었다.

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