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문제 정의
- 따라서 본 해석에서는 볼트 스템에서 발생하는 평균 응력이 450∼500 MPa 범위 내에 있도록 하기 위해 적절한 온도를 가하여 열수축이 발생하도록 하였다.
- 실험에서 얻은 조건 별 특성값을 이용하여 시뮬레이션으로 팽창 특성을 예측하였으며 예측값과 실 팽창값과의 오차를 제시하였다. 이를 바탕으로 향후 유사모델 개발 시 실제 제품 제작 전 시뮬레이션을 통하여 시간과 비용을 줄일 수 있는 방법을 제시하였다. 또한 본 연구에서는 볼트 몸체의 팽창에 영향을 미치는 화약량, 볼트 몸체 내부 형상, 볼트 몸체 재질과 같은 설계인자 조합에 따른 시험을 수행하여 각 설계인자의 영향을 분석하였으며, 소성에 따른 최대 팽창률을 해석하고 팽창 전.
가설 설정
- 1. 응력해석과 실제 인장시험을 통하여 풀림방지볼트의 구조적 결합강도가 일반볼트와 동일하다.
- M10 모델은 화약이 볼트 중앙에 삽입되므로 축대칭으로 가정하여 2D 모델을 사용하였으며, 화약량을 비롯한 경계조건 등 전반적인 계산 환경은 동일하게 유지하며, detonator 깊이에 따라 4가지의 경우에 대해 계산을 수행하였다.
- M10 폭발 볼트 해석은 화약이 볼트 중앙에 삽입되므로 축대칭으로 가정하여 2D 모델을 사용하였으며, 화약량을 비롯한 경계조건 등 전반적인 해석 환경은 동일하게 유지하며, 데토 깊이에 따라 4가지의 경우에 대해 해석을 수행하였다. 구속조건으로 폭발 볼트 머리 끝 단에 모든 자유도를 구속하였다.
- M20 폭발 볼트는 화약이 볼트 중앙에서 편심되게 삽입되므로 1/2대칭으로 가정하여 3D 모델을 사용하였으며, 화약량에 따라 5가지 경우에 대해 계산을 수행하였다.
- 일반볼트에 열 하중을 가했을 때, 최대 응력은 약 1800 MPa로 나사산에서 발생하고 있다. 이 값은 볼트 재질(F10T)의 인장강도 및 항복강도를 초과하기 때문에 비선형 해석을 수행해야 하나, 일반볼트와 폭발볼트의 상대 비교를 위해 선형으로 가정하였다. 최대 변위량은 볼트부에서 0.
- 홀 가공된 볼트에 열하중을 가했을 때, 최대 응력은 약 1866 MPa로 나사산에서 발생하였다. 최대 응력값은 일반볼트와 마찬가지로 볼트 재질(F10T)의 인장강도 및 항복강도를 초과하기 때문에 비선형 해석을 수행해야 하나, 일반볼트와 홀 가공된 볼트의 상대 비교를 위해 선형으로 가정하였다. 최대 변위량은 볼트부에서 0.
제안 방법
- 1차 모델과 같이 M20볼트의 내부형상을 화약 충전깊이(D) 1 mm, 2 mm, 3 mm로 구분하여 가공고 충진량에 따른 내부 및 외부 팽창량을 확인하였다.
- M10-1 모델에서 몸체의 연성부족으로 인한 파단 및 크랙 현상이 발생하여 2차 모델의 재료를 변경하였다. 2차 모델은 연성이 좋고, KS규격에 부합하는 재료인 SUS 316으로 선정하였다.
- KS R 9168은 NAS 3350보다 더욱 가혹한 조건의 진동 규격으로써 주로 철도 레일 결합성능 확인에 적용되고 있다. M20 볼트의 적용 분야 가운데 하나인 철도 레일용 규격을 만족하는지 여부를 확인하기 위하여 시험을 수행하였으며, 그 결과, Fig. 18에서 보는 바와 같이 시험 후 풀림이 발생하지 않았다.
- M20 폭발 볼트는 화약이 볼트 중앙에서 편심되게 삽입되므로 1/2대칭으로 가정하여 3D 모델을 사용하였으며, 화약량에 따라 5가지 경우에 대해 해석을 수행하였다. 구속조건으로 폭발 볼트 머리 끝 단에 모든 자유도를 구속하였다.
- M10 폭발 볼트 해석은 화약이 볼트 중앙에 삽입되므로 축대칭으로 가정하여 2D 모델을 사용하였으며, 화약량을 비롯한 경계조건 등 전반적인 해석 환경은 동일하게 유지하며, 데토 깊이에 따라 4가지의 경우에 대해 해석을 수행하였다. 구속조건으로 폭발 볼트 머리 끝 단에 모든 자유도를 구속하였다.
- 폭발로 인한 경도 변화와 폭발 영향부를 확인하기 위해 비커스 경도 시험기를 통해 경도 분포를 측정하였다. 그리고 폭발 인접부 조직변화와 폭발 표면부 성분 변화를 분석하기 위해 폭발 영향부를 채취하여 2400번 연마종이로 연마한 후 1 ㎛ 다이아몬드 서스펜션(diamond suspension)으로 최종 연마하였으며 2% Nital 용액으로 에칭하여 주사전자현미경을 통해 미세조직과 미세균열을 관찰하고 주사전자 현미경에 장착되어 있는 EDS를 통해 산화층 형성 및 특정 원소 편석 여부를 분석하였다. 또한, 폭발로 인한 수소 지연 파괴 저항성 변화의 간접적 측정을 위해 폭발 전후 시편을 채취하여 3% NaCl + 0.
- 9에 삽입 후 타격봉을 이용해 기폭 시킨다. 기폭은 소음 및 파편 발생을 고려하여 밀폐된 장소에서 실시하였다. 팽창된 풀림방지볼트를 회수하여 투영기 및 버어니어 캘리퍼스를 이용하여 팽창된 부위의 치수를 측정하였다.
- 6%의 경도 상승이 발생하였다. 길이 방향 뿐만 아니라 폭 방향으로의 경도 분포도 측정하였다. 폭발표면부에서 경도가 가장 크게 상승하였고 내부로 갈수록 경도가 감소하여 표면부에서 약 1 mm 떨어진 부분에서는 모재와 동일한 경도값을 보였다.
- 초기 구성도에서 나사 길이만을 늘였을 경우 홀더부에 과대한 응력이 집중 될 수 있어, 홀더의 파단이 우려되었다. 따라서 가스 후출을 방지하면서 홀더의 응력집중을 피할 수 있는 크기를 고려하였다. 홀더의 나사 크기를 M6으로 개선했으며, 깊이를 7 mm로 크게 하였다.
- 격침의 재질인 Al 6061은 detonator를 작동시키지 못하였다. 따라서 재질 SUS 316으로 변경하여 시험하였고, 마개의 길이를 증가하여 가스 후출을 감소시켰다. 하지만 확장율의 증가비율은 가스 후출과는 관계가 적은 것으로 판단된다.
- 이를 바탕으로 향후 유사모델 개발 시 실제 제품 제작 전 시뮬레이션을 통하여 시간과 비용을 줄일 수 있는 방법을 제시하였다. 또한 본 연구에서는 볼트 몸체의 팽창에 영향을 미치는 화약량, 볼트 몸체 내부 형상, 볼트 몸체 재질과 같은 설계인자 조합에 따른 시험을 수행하여 각 설계인자의 영향을 분석하였으며, 소성에 따른 최대 팽창률을 해석하고 팽창 전. 후의 물리적 특성을 비교하였다.
- 그리고 폭발 인접부 조직변화와 폭발 표면부 성분 변화를 분석하기 위해 폭발 영향부를 채취하여 2400번 연마종이로 연마한 후 1 ㎛ 다이아몬드 서스펜션(diamond suspension)으로 최종 연마하였으며 2% Nital 용액으로 에칭하여 주사전자현미경을 통해 미세조직과 미세균열을 관찰하고 주사전자 현미경에 장착되어 있는 EDS를 통해 산화층 형성 및 특정 원소 편석 여부를 분석하였다. 또한, 폭발로 인한 수소 지연 파괴 저항성 변화의 간접적 측정을 위해 폭발 전후 시편을 채취하여 3% NaCl + 0.3% NH4SCN 의 용액에서 10 A/m2의 전류 밀도하에서 20시간 동안 장입하여 수소를 주입시키고 2차 이온 질량분석법인 SIMS를 통해 표면의 수소량을 측정하였다. 동적 SIMS 분석의 시험조건은 충격 에너지: 15 keV, 전류: 50 nA, 해석면적: 20 ㎛2이다.
- 모델 M20은 볼트 외경이 모델 M10보다 크고, 폭발압력에 의한 확장율을 최대화하고, 가스 유출을 막기 위해 볼트 중심이 아닌 볼트 외경쪽으로 편심이 이루어지도록 설계 되었다. 볼트 확장부의 편심을 고려하여 격침의 위치도 확장부로 편심되게 설계 제작하였다.
- 모델M10-3는 2차 모델과 같이 M10볼트의 내부형상을 화약 충전 깊이(D) 1 mm, 2 mm, 3 mm 구분하여 가공하고 여유 깊이에 따른 내부 및 외부 팽창량을 확인하였다. 차이점은 팽창부위를 나사쪽으로 변경하였다.
- 본 연구에서는 풀림방지 볼트 제작을 위한 볼트 몸체 설계 방법 및 화약 폭발 후의 볼트 몸체 물성 변화, 이를 바탕으로 제작한 풀림방지볼트의 팽창특성을 M10, M20볼트의 모델별 실험을 통해 제시하였다. 실험에서 얻은 조건 별 특성값을 이용하여 시뮬레이션으로 팽창 특성을 예측하였으며 예측값과 실 팽창값과의 오차를 제시하였다.
- 볼트 몸체의 팽창률과 풀림방지 기능의 상관관계를 실험적으로 평가하여 특정 구간에서는 수치적으로 표현될 수 있다는 것을 제시하였으며, 이를 통해 풀림방지 성능을 팽창률 제어를 통하여 제시할 수 있도록 하였다. 풀림방지 성능 확인을 위하여 풀림 토오크 값을 측정하고, 풀림방지 시험 규격을 적용하여 시험을 수행하였다.
- 모델 M20은 볼트 외경이 모델 M10보다 크고, 폭발압력에 의한 확장율을 최대화하고, 가스 유출을 막기 위해 볼트 중심이 아닌 볼트 외경쪽으로 편심이 이루어지도록 설계 되었다. 볼트 확장부의 편심을 고려하여 격침의 위치도 확장부로 편심되게 설계 제작하였다. Fig.
- 볼트의 내부형상을 Detonator와 RDX의 충진 깊이(D)를 1 mm, 2 mm, 3 mm로 구분하여 가공하고 충전량에 따른 내부 및 외부 팽창량을 확인하였다. 고장력볼트의 특성상 연성이 부족하여 가스가 후출되면서 이로 인해 내부 확장이 부족하였다.
- 설계인자 조건에 따른 볼트몸체의 팽창률을 확인하고 팽창률에 따른 풀림 토오크를 측정함으로써 팽창률과 풀림토오크 값의 관계를 확인하였다. Fig.
- 본 연구에서는 풀림방지 볼트 제작을 위한 볼트 몸체 설계 방법 및 화약 폭발 후의 볼트 몸체 물성 변화, 이를 바탕으로 제작한 풀림방지볼트의 팽창특성을 M10, M20볼트의 모델별 실험을 통해 제시하였다. 실험에서 얻은 조건 별 특성값을 이용하여 시뮬레이션으로 팽창 특성을 예측하였으며 예측값과 실 팽창값과의 오차를 제시하였다. 이를 바탕으로 향후 유사모델 개발 시 실제 제품 제작 전 시뮬레이션을 통하여 시간과 비용을 줄일 수 있는 방법을 제시하였다.
- 5와 같고 화학조성은 Table 2와 같다. 실험은 형상, 경도, 조직 변화 및 균열에 대하여 수행하였다. 폭발 전후의 형상 변화는 고성능 디지털카메라를 이용하여 전체 스케일에서 외부형상 및 내부 공극형상 변화를 관찰하였고, 정밀 변화량을 구하기 위해 주사전자 현미경을 이용하여 형상을 확인하고, 폭발로 인한 직경 변화량을 계산하였다.
- 또한, 2D 축 대칭으로 진행함으로 인해 볼트의 좌, 우측 변위가 동일하다고 가정한 M10의 경우와는 달리, 좌. 우측으로 대칭되어 위치한 두 곳의 Gauge에서의 값을 합산하여 기재하였다. 폭발 이후 볼트의 변화 형상을 Fig.
- 계열의 폭발가스 부산물과 볼트의 화학적 반응으로 인해 폭발 표면층에 철계 산화물이 형성될 수 있다. 이러한 산화물이 볼트의 기계적 물성에 영향을 미칠 수 있으므로 EDS(Energy Dispersive Spectroscopy)를 통해 가스 압력이 높게 가해지는 폭발 정면부 부분이 Fe, C, O에 대한 맵핑(mapping)을 실시하여 산화층과 편석 여부를 확인하였다. 폭발 표면층에 FeO, Fe2O3, Fe3O4 산화층이 형성될 경우 산화층 부분에서 Fe 원소분포가 다른 부분에 비해 감소하고 O 원소 분포가 집중되게 된다.
- 직경 24 mm 고장력 볼트를 이용하여 약량별 팽창률을 확인하였다. Table 5에서 보듯이 일정 화약량 이하일 경우 부피 팽창이 일어나지 않았다.
- 14는 토오크 측정 장비이다. 토오크 측정장비에 볼트 머리부를 고정하고, 볼트와 연결되어있는 너트를 토오크시험 장비를 통해 일정하게 유지하였을 때 너트의 풀림현상으로 나타나는 값을 측정하였다. Table 6은 약량 별 측정값이다.
- 기폭은 소음 및 파편 발생을 고려하여 밀폐된 장소에서 실시하였다. 팽창된 풀림방지볼트를 회수하여 투영기 및 버어니어 캘리퍼스를 이용하여 팽창된 부위의 치수를 측정하였다.
- 실험은 형상, 경도, 조직 변화 및 균열에 대하여 수행하였다. 폭발 전후의 형상 변화는 고성능 디지털카메라를 이용하여 전체 스케일에서 외부형상 및 내부 공극형상 변화를 관찰하였고, 정밀 변화량을 구하기 위해 주사전자 현미경을 이용하여 형상을 확인하고, 폭발로 인한 직경 변화량을 계산하였다. 폭발로 인한 경도 변화와 폭발 영향부를 확인하기 위해 비커스 경도 시험기를 통해 경도 분포를 측정하였다.
- 폭발 전후의 형상 변화는 고성능 디지털카메라를 이용하여 전체 스케일에서 외부형상 및 내부 공극형상 변화를 관찰하였고, 정밀 변화량을 구하기 위해 주사전자 현미경을 이용하여 형상을 확인하고, 폭발로 인한 직경 변화량을 계산하였다. 폭발로 인한 경도 변화와 폭발 영향부를 확인하기 위해 비커스 경도 시험기를 통해 경도 분포를 측정하였다. 그리고 폭발 인접부 조직변화와 폭발 표면부 성분 변화를 분석하기 위해 폭발 영향부를 채취하여 2400번 연마종이로 연마한 후 1 ㎛ 다이아몬드 서스펜션(diamond suspension)으로 최종 연마하였으며 2% Nital 용액으로 에칭하여 주사전자현미경을 통해 미세조직과 미세균열을 관찰하고 주사전자 현미경에 장착되어 있는 EDS를 통해 산화층 형성 및 특정 원소 편석 여부를 분석하였다.
- 폭발로 인한 변형으로 야기되는 경도 변화를 확인하기 위해 폭발부 표면 인접부에서 길이 방향으로 경도를 측정 비교하였다. Fig.
- 볼트 몸체의 팽창률과 풀림방지 기능의 상관관계를 실험적으로 평가하여 특정 구간에서는 수치적으로 표현될 수 있다는 것을 제시하였으며, 이를 통해 풀림방지 성능을 팽창률 제어를 통하여 제시할 수 있도록 하였다. 풀림방지 성능 확인을 위하여 풀림 토오크 값을 측정하고, 풀림방지 시험 규격을 적용하여 시험을 수행하였다.
- 풀림방지볼트는 목표 사양을 모델 M10과 모델 M20으로 설정하고, 화약 폭발 시 화염과 내부압력의 외부누출로 인한 압력손실 없도록 설계 인자를 최적화하여 제작되었다.
- 볼트몸체의 팽창률을 결정하는 인자는 볼트의 재료, 경도 및 형상, 화약종류, 화약량, 충전위치, 충전압력, 공이뭉치 형상 및 재료 등 다양하다. 하지만 본 논문에서는 볼트 재료와 화약 종류, 충전 압력, 충전 위치를 결정하고 나머지 인자를 조합하여 팽창률을 제어할 수 있는 기술을 획득했다. Fig.
- 따라서 가스 후출을 방지하면서 홀더의 응력집중을 피할 수 있는 크기를 고려하였다. 홀더의 나사 크기를 M6으로 개선했으며, 깊이를 7 mm로 크게 하였다. 개선 모델의 시험에서 격침과 홀더의 밀착이 양호하였으며 가스 후출 또한 발생하지 않았다.
- 또한 본 연구에서는 볼트 몸체의 팽창에 영향을 미치는 화약량, 볼트 몸체 내부 형상, 볼트 몸체 재질과 같은 설계인자 조합에 따른 시험을 수행하여 각 설계인자의 영향을 분석하였으며, 소성에 따른 최대 팽창률을 해석하고 팽창 전. 후의 물리적 특성을 비교하였다.
대상 데이터
- M10-1 모델에서 몸체의 연성부족으로 인한 파단 및 크랙 현상이 발생하여 2차 모델의 재료를 변경하였다. 2차 모델은 연성이 좋고, KS규격에 부합하는 재료인 SUS 316으로 선정하였다.
- 강도 해석에 사용된 볼트 규격은 M20을 사용하였다. 볼트와 구조물 간의 체결은 형상, 접촉 및 마찰력을 모두 고려하여 직접적으로 유한요소 해석에 적용할 경우, 수렴성과 과도한 해석시간이 소요되므로, 이러한 방법은 비효율적이다.
- 모델 M20은 3가지 대표 모델로 진행했다. 모델 20-1은 내부 확장부의 편심 위치조정와 약량을 조정하였으며, 모델 20-2는 가스 후출 방지를 위해 마개와 격침의 재질을 변경하였다.
- 볼트 몸체 특성 변화는 M20 모델에서 수행하였으며 M10 모델은 일반 볼트에 사용되는 재질이 아닌 스테인레스 스틸을 사용하였기에 제외하였다. 본 연구에서 사용된 재료는 10T급 볼트로서 볼트의 형상은 Fig. 5와 같고 화학조성은 Table 2와 같다. 실험은 형상, 경도, 조직 변화 및 균열에 대하여 수행하였다.
이론/모형
- 기존 풀림방지 장치와의 성능비교를 위하여 현재 풀림방지 성능평가에 가장 보편적으로 적용되는 시험규격 NAS 3350과 KS R 9168으로 시험을 진행하였다. Fig.
성능/효과
- 1차모델의 확장율이 적은 원인은 마개의 가스 후출이 원인인 것이므로, 따라서 마개 나사 부 길이를 늘리고, 격침의 재료를 연성 재질로 변경하여 동작 후 격침과 홀더와의 접촉률을 높였다.
- 2. 수치모사 결과와 실제 시험치와의 오차가 M10의 경우 2% 이내, M20의 경우 4% 이내로 나타난다.
- 2차 모델과 같이 M20볼트의 내부형상을 detonator와 RDX의 충진깊이(D)를 1 mm, 2 mm, 3 mm로 구분하여 가공하고 충전량에 따른 내부 및 외부 팽창량을 확인하였으며 일정한 확장율을 보였다. 이는 2차 모델 시험보다 양호한 결과이며, 이 결과를 토대로 토크시험 시 1,200 Kg.
- 3. 팽창률에 따른 풀림 토오크값을 측정하여 상호 연관성을 확인한 결과, 일정 팽창영역에서 팽창률이 클수록 풀림 토오크값이 커진다.
- 4. 볼트 내부의 화약 폭발에 의해 가해진 충격은 볼트의 구조적인 안전성과 결합강도에 영향을 주지 않는다.
- M10과 M20 폭발 볼트 모두, 실험 결과와 해석 결과는 거의 동일한 추이를 보이며, 오차율도 최대 3%를 넘어서지 않고 있다.
- 고장력 볼트 몸체의 특성 상 확장율 증가에 한계가 있고, 지금까지 수행한 시험으로는 모델 M20-3이 가장 재연성 있는 결과를 나타내었다. 토크 시험시 1,200 Kg.
- 하지만, 이와 같은 내부 홀이 볼트의 기본적인 역할인 결합 강도에 영향을 주어서는 안 된다. 따라서 응력해석을 통하여 볼트 내부 형상에 따른 응력 분포를 확인하고, 내부 형상 변경 전의 볼트와 구조강도 면에서 뚜렷한 차이가 없다는 것을 확인하였다.
- 즉, 표면의 경도가 증가하거나 표면의 잔류 압축 응력이 존재 시에 피로 강도가 크게 향상 된다. 따라서, 폭발표면부의 경도가 모재 대비 약 35%가량 증가함으로 인하여 폭발 후 볼트의 피로강도 또한 다소 증가할 것으로 예측된다.
- 해석결과, 홀 가공된 볼트는 화약이 삽입되는 홀에 의해 단면이 감소되어 강도가 낮아질 것으로 예상하였으나, 동일한 하중 조건하에서 강도 해석을 수행한 결과에 의하면 두 모델 간 응력 분포 및 응력, 변위가 거의 유사하였다. 따라서, 홀 가공된 볼트가 강도 측면에서 일반볼트에 비해 취약하지 않음을 확인 할 수 있었다. 해석결과를 Table 1에 나타내었다.
- 차이점은 팽창부위를 나사쪽으로 변경하였다. 시험 결과 Detonator 만으로도 충분한 확장율을 보인다. 이는 2차 모델 시험과 결과가 동일하였다.
- 17은 M20의 NAS 3350 규격에 의한 시험 전후 외관이다. 시험결과, 볼트 풀림현상이 발생하지 않았음을 확인할 수 있었다.
- 2차 모델과 같이 M20볼트의 내부형상을 detonator와 RDX의 충진깊이(D)를 1 mm, 2 mm, 3 mm로 구분하여 가공하고 충전량에 따른 내부 및 외부 팽창량을 확인하였으며 일정한 확장율을 보였다. 이는 2차 모델 시험보다 양호한 결과이며, 이 결과를 토대로 토크시험 시 1,200 Kg.cm 이상의 풀림방지 성능을 나타내었다.
- Figure 2에서 보는 바와 같이, 풀림방지볼트는 몸체에 충전된 화약이 폭발할 때 발생하는 에너지를 이용하여 볼트 몸체의 특정 부위를 팽창시켜 너트 또는 구속물 접합부의 수직틈새를 제거하여 마찰력을 높임으로써 풀림을 방지한다[1]. 이때 화약 폭발에 따른 볼트 몸체의 영향을 물리적, 화학적으로 확인하고 볼트 성능에 전혀 영향을 미치지 않는다는 것을 확인하였다.
- M20의 볼트는 템퍼드 마르텐사이트 조직을 보인다. 폭발 후 시편의 정면부, 모서리부, 측면부 조직을 관찰한 결과 모두 마르텐사이트 조직을 가지고 있으며 조직변화는 관찰되지 않았다. 이는 Fe-C 상태도와 같이 0.
- 길이 방향 뿐만 아니라 폭 방향으로의 경도 분포도 측정하였다. 폭발표면부에서 경도가 가장 크게 상승하였고 내부로 갈수록 경도가 감소하여 표면부에서 약 1 mm 떨어진 부분에서는 모재와 동일한 경도값을 보였다.
- 해석결과, 홀 가공된 볼트는 화약이 삽입되는 홀에 의해 단면이 감소되어 강도가 낮아질 것으로 예상하였으나, 동일한 하중 조건하에서 강도 해석을 수행한 결과에 의하면 두 모델 간 응력 분포 및 응력, 변위가 거의 유사하였다. 따라서, 홀 가공된 볼트가 강도 측면에서 일반볼트에 비해 취약하지 않음을 확인 할 수 있었다.
후속연구
- 이와 같은 안정적인 수치 모사 결과를 도출함으로써, 차후에는 목적 및 환경에 따라 다양한 크기 및 성능으로 생산될 풀림 방지 볼트의 선행 검증 기준을 할 수 있는 수단을 갖게 되었다.
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