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선상가열시 이동열원 조건에 따른 가열 판재의 온도분포에 관한 연구
Study on Temperature Distribution for Various Conditions of Moving Heating Source During Line Heating Process 원문보기

한국마린엔지니어링학회지 = Journal of the Korean Society of Marine Engineering, v.34 no.5, 2010년, pp.617 - 624  

최윤환 (부경대학교 스마트기계사업단) ,  이연원 (부경대학교 기계자동차공학과) ,  최광 (포항산업과학연구원)

초록
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선박 건조공정에서 외피의 곡면 가공에 많이 사용하는 가공법을 선상가열법이라고 한다. 선상가열법은 엔지니어의 숙련도에 따라 품질의 차이가 커지기 때문에 현재에는 엔지니어의 숙련도에 의존하지 않는 자동화기기를 사용하여 선상가열을 수행하는 경우가 많다. 본 연구에서는 자동화기기를 사용한 선상가열에 의한 가열판재의 온도분포를 조사하고자 한다. 선상가열시 적용되는 주요한 변수는 가열원의 이동속도, 강도 및 가열 방식 등이 있으며, 본 연구에서는 세 가지 변수를 중심으로 가열판재의 표면 및 내부온도가 어떻게 변화하는지를 조사하였다. 해석결과 가열원의 이동속도가 빨라질수록 판재의 피크온도는 낮게 형성되는 것을 확인하였고, 또한 열원의 크기에 따른 피크온도 및 온도분포가 선형적으로 변화하는 것을 정량적으로 계산할 수 있었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Line heating is a manufacture method, which was widely used to machining a curved surface in the ship construction. The qualities using by line heating are very difference compare to the proficiency level of the engineer. So it's mainly depend on the automation equipment instead of the proficiency l...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 열전도 해석으로 인해서 해석 시간이 적게 소요되고 해석 난이도가 낮다는 장점을 가지고 있다. 그리고 열원의 조건에 따른 가열판재의 온도분포를 예측하는 것에는 크게 문제가 없으므로 본 연구에서는 열전도 해석을 활용하여 이동하는 가열원의 열량 및 가열원의 형태와 가열원의 이동속도에 따른 가열판재의 표면온도 및 가열과정에서의 온도 분포를 해석하여 계산된 온도분포를 이용하여 평판의 변형 해석을 위한 기초자료로 활용하고자 한다.
  • 선상가열 작업은 가스버너를 사용하여 강판표면을 선 형태로 이동시키면서 가열하고, 그 열에 의해 강판을 구부리는 작업이기 때문에 가열에 의한 강판의 휨 정도는 연료가스의 물성, 유량 및 가스 노즐의 높이, 이동속도 등의 조건에 따라 다르기 때문에, 필요한 굽힘 정도를 얻기 위한 가열조건은 해석적으로 구하기 어려운 실정이다[4]. 따라서 본 연구에서는 선상가열 작업에 있어서 판재에 열원이 가해졌을 때 판재 표면의 열량을 산정하여 표면에서 판재 내부로 열이 전달되는 과정만을 고려한 3차원 열전도 해석을 수행하고자 한다. 열전도 해석에 의한 판재 내부의 열전달 해석은 유동해석에 의한 방법에 비해 열전도 방정식을 고려한 해석을 수행한다.
  • 본 연구는 선박 외피의 곡면 가공시 많이 사용되는 선상가열 공정에 대하여 열원의 조건 및 판재의 조건에 따른 가열 판재의 온도변화를 해석하였으며 그 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
선상가열 공정의 자동화 공정의 필요성이 절실히 요구되는 배경은? 현대의 선박 건조 공정 중에서 판재의 절단, 용접 및 파이프의 굽힘 등의 작업은 대부분이 자동화공정으로 이루어져 있다. 그러나 선상가열법에 의한 곡면 가공은 가열속도, 열원의 특성, 초기형상, 냉각방법, 냉각속도 등 많은 작업변수에 의해 가공 형상이 달라지는 복잡성 때문에 자동화가 미흡하며, 가공과정을 숙련된 기능인력의 작업 경험에 전적으로 의존하고 있는 실정이다. 또한 기능인력의 노령화로 인한 임금 상승 및 원활한 기술의 이전 등이 문제로 대두되고 있다. 따라서, 현재의 선박가공에서 선상가열 공정의 자동화 공정의 필요성이 절실히 요구되고 있다[2,3].
선박의 외피는 어떤 구조를 가지고 있는가? 선박의 외피는 평판과 곡면이 동시에 존재하는 구조를 가지고 있다. 외피 중 평판에 대한 가공은 판재 성형 시 결정되기 때문에 선박 건조 시 별도의 공정을 거치지 않고 외피를 성형하지만 곡면 성형시는 판재를 가공하는 과정을 거치게 되는데 이 때 가열면의 잔류변형을 이용하여 곡면을 가공하는 방법을 선상가열법이라고 한다[1].
선상가열법에 의한 곡면 가공의 작업변수에는 어떤 것들이 있는가? 현대의 선박 건조 공정 중에서 판재의 절단, 용접 및 파이프의 굽힘 등의 작업은 대부분이 자동화공정으로 이루어져 있다. 그러나 선상가열법에 의한 곡면 가공은 가열속도, 열원의 특성, 초기형상, 냉각방법, 냉각속도 등 많은 작업변수에 의해 가공 형상이 달라지는 복잡성 때문에 자동화가 미흡하며, 가공과정을 숙련된 기능인력의 작업 경험에 전적으로 의존하고 있는 실정이다. 또한 기능인력의 노령화로 인한 임금 상승 및 원활한 기술의 이전 등이 문제로 대두되고 있다.
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참고문헌 (8)

  1. Toru Iwao, "Numerical simulation of argon twin torch plasma arc for high heating efficiency", Vacuum, vol. 83, pp. 34-38, 2009. 

  2. 우종훈, 신종계, "선상가열을 위한 토치와 강판 사이의 열유동 해석", 대한조선학회 논문집, 제 39권 제2호, pp.52-60, 2002. 

  3. 이주성, 이정호, "선상가열법에 의한 강판의 변형 예측식 개발", 한국해양공학회지 제22권 제 6호, pp.83-87, 2008. 

  4. P. Biswas, N. R. Mandal and O. P. Sha, "Three-dimensional finite element prediction of transient thermal history and residual deformation duo to line heating", Proc. IMECHE, vol. 221, pp.17-30, 2007. 

  5. J. L. Evans, "Design and construction of lining of no. 4 blast furnace, Port Talbot Works", Ironmaking and Steelmaking, vol. 21, no. 2, pp. 101-113, 1994. 

  6. H. Nogami, J. Yagi, "An application of Bingham model to viscous fluid modeling of solid flow in moving bed", ISIJ International, vol. 44, no. 11, pp. 1826-1834, 2004. 

  7. N. N. Rykalin, "Calculation of heat processes in welding", Peace Publisher, pp. 136-141, 1960. 

  8. A. Moshaiov and R. Latorre, "Temperature distribution during plate bending by torch flame heating", J. of ship research, vol. 29, pp. 1-11, 1985. 

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