천연가스 자동차에 장착되는 연료저장용기는 크게 두부, 실린더부 그리고 바닥부로 나뉜다. 실린더부와 바닥부에 관한 연구는 이미 충분히 수행되었으나, 두부 성형에 관한 연구 및 설계자료는 전무한 실정이며, 현재 현장 작업자들의 경험이나 시행착오에 의해 제작되고 있다. 본 연구에서는 천연가스 저장용기의 두부 성형 공정인 열간스피닝 공정 분석을 위하여 회전체소성가공에 적합한 ALE method를 적용하여 유한요소해석을 수행하였다. 성형인자들(이송거리, 성형시간, 소재의 온도, 회전속도)이 성형롤러의 하중 및 두부의 좌굴에 미치는 영향을 분석하고, 이를 토대로 저장용기의 두부성형 가능성을 검토하였다. 또한 성형해석 결과로 제조된 저장용기 두부의 안전성을 평가하기 위하여 파열압력에 대한 용기의 구조해석 및 실험을 수행하였다.
천연가스 자동차에 장착되는 연료저장용기는 크게 두부, 실린더부 그리고 바닥부로 나뉜다. 실린더부와 바닥부에 관한 연구는 이미 충분히 수행되었으나, 두부 성형에 관한 연구 및 설계자료는 전무한 실정이며, 현재 현장 작업자들의 경험이나 시행착오에 의해 제작되고 있다. 본 연구에서는 천연가스 저장용기의 두부 성형 공정인 열간스피닝 공정 분석을 위하여 회전체 소성가공에 적합한 ALE method를 적용하여 유한요소해석을 수행하였다. 성형인자들(이송거리, 성형시간, 소재의 온도, 회전속도)이 성형롤러의 하중 및 두부의 좌굴에 미치는 영향을 분석하고, 이를 토대로 저장용기의 두부성형 가능성을 검토하였다. 또한 성형해석 결과로 제조된 저장용기 두부의 안전성을 평가하기 위하여 파열압력에 대한 용기의 구조해석 및 실험을 수행하였다.
The fuel storage vessel installed in CNG vehicles can be largely divided into 3 parts: head, cylinder, and dome. Studies of the cylinder and dome parts have already been performed, but sufficient design data is not available about the head part. Therefore, expert field engineers heavily depend upon ...
The fuel storage vessel installed in CNG vehicles can be largely divided into 3 parts: head, cylinder, and dome. Studies of the cylinder and dome parts have already been performed, but sufficient design data is not available about the head part. Therefore, expert field engineers heavily depend upon trial-and-error methods. Therefore, FE analysis is performed to review the hot spinning process for forming the head part of the CNG vessel using the Arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) method. The effects of forming factors on the load were analyzed. The values of the factors were chosen to avoid defects in the head part and buckling, and the forming feasibility of the head part was investigated. Furthermore, a bursting test was performed to evaluate the safety of the storage vessel.
The fuel storage vessel installed in CNG vehicles can be largely divided into 3 parts: head, cylinder, and dome. Studies of the cylinder and dome parts have already been performed, but sufficient design data is not available about the head part. Therefore, expert field engineers heavily depend upon trial-and-error methods. Therefore, FE analysis is performed to review the hot spinning process for forming the head part of the CNG vessel using the Arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) method. The effects of forming factors on the load were analyzed. The values of the factors were chosen to avoid defects in the head part and buckling, and the forming feasibility of the head part was investigated. Furthermore, a bursting test was performed to evaluate the safety of the storage vessel.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 연구에서는 유한요소해석 기법을 이용하여 열간 스피닝시 주요인자들이 성형력에 미치는 영향을 분석하고, 롤러의 수명을 향상시키기 위한 방법을 제시하였다. 또한, 제시된 값을 이용하여 성형가능성 및 안전성을 평가하였다.
열간 스피닝 성형시 발생되는 성형력의 최소화를 통해 롤러의 부하를 감소시켜 수명을 향상시키고자 한다. 이를 위하여 열간 스피닝 성형시 각 인자의 값은 Table 2 에 따라 변화시키되 나머지 인자들은 현장에서 사용중인 값들을 사용하여 해석을 수행하였다.
이에 본 연구에서는 열간 스피닝 공정시 두부의 성형영역을 초기의 일부 영역으로 정하여 인자들과 성형하중의 관계를 분석하고, 이를 토대로 하중을 최소화시키는 인자들의 값을 도출하였다. 초기의 일부 영역에서 도출된 스피닝 인자의 값들은 저장용기의 두부 전체 영역을 성형하기 위한 인자의 값으로 이용되었으며, 이에 대한 해석을 수행하여 두부의 성형가능성을 검토하였다.
가설 설정
11의 1 회 부터 6회 까지의 성형된 형상들과 축방향 하중의 관계를 성형해석을 통하여 구하였다. 스피닝 공정에 의한 용기의 두부 성형시 소재는 1300rpm 으로 고속 회전되며, 롤러에 의한 1 회당 성형시간이 매우 짧기 때문에, 스피닝 공정에 의한 축력이 분포하중으로 작용하는 것으로 가정하여 Fig. 12 와 같이 좌굴 성형해석을 수행하였다. 수행된 결과는 축력이 작용하는 경우와 유사한 결과를 얻었으며 이를 Fig.
제안 방법
일반적인 소성 가공 문제를 해석하는데 있어서는 Lagrangian 기법을 사용하지만, 스피닝과 같이 소재의 회전 및 유동변화가 존재하는 경우에는 ALE(Arbitrary Lagrangian Eulerian) 기법을 소성가공 해석에 접목시키는데 이 기법은 Lagrangian 기법과 Eulerian 기법의 장점을 취한 것으로 계산 격자의 움직임과 연속체 입자의 상대운동을 모두 고려할 수 있다.(8) 해석을 위한 모델들은 성형 해석시간 단축을 위해 용기는 성형 전 두부 영역을, 성형롤러는 1/4 만을 모델링하였다. Fig.
이를 위해 회전체 소성가공에 적합한 ALE 기법을 적용하여 유한요소해석을 수행하였다. 1회 롤러왕복에 의한 성형시 수 주일의 해석시간이 소요되는데 두부 성형을 위해 15회 이상 롤러 왕복이 필요함을 고려할 때 수 개월의 장시간이 소요되므로 해석시 두부의 성형영역을 전체가 아닌 초기의 일부 영역으로 정하였다.
초기의 일부 영역에서 도출된 스피닝 인자의 값들은 저장용기의 두부 전체 영역을 성형하기 위한 인자의 값으로 이용되었으며, 이에 대한 해석을 수행하여 두부의 성형가능성을 검토하였다. 또한 성형된 형상의 안전성 평가를 위하여 구조해석 및 파열시험을 수행하였다.
본 연구에서는 유한요소해석 기법을 이용하여 열간 스피닝시 주요인자들이 성형력에 미치는 영향을 분석하고, 롤러의 수명을 향상시키기 위한 방법을 제시하였다. 또한, 제시된 값을 이용하여 성형가능성 및 안전성을 평가하였다.
메쉬는 ALE 메쉬를 사용하였으며, 해석의 정확도를 높이기 위하여 변형부에 메쉬를 세분화하였다. Fig.
상기의 연구결과들에 대한 검증을 위하여 스피닝 공정을 이용한 두부 성형과 파열 시험을 각각 수행하였다.
스피닝 공정은 성형이 마무리 될 때까지 토치에 의한 용기의 가열과 냉각장치에 의한 롤러의 냉각이 이루어지므로 용기와 롤러는 최대 1300℃ 정도의 온도 차이가 나기 때문에 이는 FORGE 에서 제공하는 세가지 열전달 옵션(Steel hot weak, Steel hot medium, Steel hot strong) 가운데 Steel hot strong 을 열전달 조건(9)으로 하였고, 또한 열간 회전체 성형에 사용되는 Hot sliding 을 마찰조건(9)으로 적용하였다.
25 배 증가되었다. 이는 저장용기의 두부 설계시 최대두께 20.8mm(최초두께의 2.6 배(5))보다 약 2.8mm 가 작기 때문에 내압에 의한 저장용기의 안전성 확보가 필요하므로 구조해석 툴인 ANSYS 를 이용하여 해석결과 모델의 파열시험에 대한 안전성을 검토하였다. 저장용기의 금속 라이너에 대한 시험은 ISO/DIS 11515(2010 Edition) 승인 규격을 따르며, 이 규정에 의하면 금속 라이너를 파열압력(400bar)으로 가하였을 때 파열의 위치가 두부가 아닌 실린더부로 나타나야 한다.
11 과 같이 1 회부터 6 회까지는 저장용기의 형상이 양호하였으나, 7 회에서는 저장용기의 형상이 불량하게 나타났다. 이러한 좌굴현상에 대한 원인을 분석하기 위하여 Fig. 11의 1 회 부터 6회 까지의 성형된 형상들과 축방향 하중의 관계를 성형해석을 통하여 구하였다. 스피닝 공정에 의한 용기의 두부 성형시 소재는 1300rpm 으로 고속 회전되며, 롤러에 의한 1 회당 성형시간이 매우 짧기 때문에, 스피닝 공정에 의한 축력이 분포하중으로 작용하는 것으로 가정하여 Fig.
열간 스피닝 성형시 발생되는 성형력의 최소화를 통해 롤러의 부하를 감소시켜 수명을 향상시키고자 한다. 이를 위하여 열간 스피닝 성형시 각 인자의 값은 Table 2 에 따라 변화시키되 나머지 인자들은 현장에서 사용중인 값들을 사용하여 해석을 수행하였다. Fig.
일반적으로 저장용기의 금속 라이너는 크게 4회의 성형공정(컵 성형, 2 회의 DDI(Deep drawing and ironing)성형, 열간스피닝)으로 제작되나, 본 연구에 사용된 저장용기는 총 길이가 11m 로 DDI공법에 의한 성형이 불가능하므로 Fig. 1 과 같이 이음매가 없는 튜브로 양측을 열간 스피닝하여 저장용기를 제작한다.
좌굴 방지를 위해서는 축방향 하중을 제어해야 하는데 이를 위하여 스피닝 공정의 인자들(이송거리, 성형시간, 소재온도, 회전속도) 가운데 성형 중에 변화가 가능한 이송거리와 성형시간을 하중 제어인자로 정하였다.
초기의 일부 영역(성형길이 90mm 지점)에서 각 인자별 성형력이 가장 낮을 때의 수준 값(F.D. : 22.5, F.T. : 3, W.T. : 1400, R.S. : 1300)을 전체영역에서의 두부성형 해석을 위한 값으로 입력하여 용기의 성형가능성을 검토하였다. 스피닝 해석 결과에 의하면 Fig.
이에 본 연구에서는 열간 스피닝 공정시 두부의 성형영역을 초기의 일부 영역으로 정하여 인자들과 성형하중의 관계를 분석하고, 이를 토대로 하중을 최소화시키는 인자들의 값을 도출하였다. 초기의 일부 영역에서 도출된 스피닝 인자의 값들은 저장용기의 두부 전체 영역을 성형하기 위한 인자의 값으로 이용되었으며, 이에 대한 해석을 수행하여 두부의 성형가능성을 검토하였다. 또한 성형된 형상의 안전성 평가를 위하여 구조해석 및 파열시험을 수행하였다.
현장 작업자들의 경험을 토대로 열간 스피닝 성형공정의 주요인자를 1 회당 롤러의 이송거리(Fig. 6 ①에서 ②까지 이동하는 거리), 성형시간(Fig. 6 Point A 에서 Point B 까지 이동할 때 소요되는 시간), 소재의 온도와 소재의 회전속도로 정하였고 또한 현장조건을 토대로 각 인자들에 대한 실제 사용 가능한 범위를 설정하여 이를 각각 Fig. 6 과 Table 2 에 나타내었다.
이론/모형
열간 스피닝 공정의 해석을 위하여 성형 해석툴인 FORGE V2011을 이용하였다. 일반적인 소성 가공 문제를 해석하는데 있어서는 Lagrangian 기법을 사용하지만, 스피닝과 같이 소재의 회전 및 유동변화가 존재하는 경우에는 ALE(Arbitrary Lagrangian Eulerian) 기법을 소성가공 해석에 접목시키는데 이 기법은 Lagrangian 기법과 Eulerian 기법의 장점을 취한 것으로 계산 격자의 움직임과 연속체 입자의 상대운동을 모두 고려할 수 있다.
(7) 그러나 저장용기의 두부를 성형하는 열간 스피닝 공정은 연구 및 설계자료가 전무하여 현재 현장 작업자들의 경험이나 시행착오에 의해 제작되고 있으며, 1 개의 저장용기를 생산하기 위해서는 약 15~30 회 정도의 잦은 롤러왕복이 요구되어 롤러의 마모가 심각해지므로 스피닝 공정의 최적화와 이를 통한 성형 하중의 최소화로 롤러의 마모를 개선시키는 연구가 요구되고 있다. 이를 위해 회전체 소성가공에 적합한 ALE 기법을 적용하여 유한요소해석을 수행하였다. 1회 롤러왕복에 의한 성형시 수 주일의 해석시간이 소요되는데 두부 성형을 위해 15회 이상 롤러 왕복이 필요함을 고려할 때 수 개월의 장시간이 소요되므로 해석시 두부의 성형영역을 전체가 아닌 초기의 일부 영역으로 정하였다.
성능/효과
(1) 열간 스피닝 성형시 성형력에 가장 큰 영향을 주는 인자는 성형온도이며, 회전속도는 성형력에 크게 영향을 미치지 않음을 알 수 있다.
(2) 해석결과로부터 얻은 성형인자들의 수준값을 이용하여 저장용기의 두부를 성형 해석한 결과 7path, 9path, 12path 에서 용기의 형상이 불량하게 나타났으나 롤러의 이송거리를 제어하여 양호한 저장용기 형상을 얻을 수 있었다.
(3) 제안된 조건(F.T. : 3, W.T. : 1400, R.S. : 1300)을 이용하여 해석을 수행한 결과 최대 성형력은 2.43ton 으로 현장에서 사용중인 조건(F.T. : 3, W.T. : 900, R.S. : 900)으로 해석한 최대 성형력 보다 5.84ton 이 감소되었다. 이를 통해 성형롤러의 마모가 감소되어 수명을 향상시킬 수 있을 것으로 사료된다.
21의 Re-7회와 같이 양호한 저장용기 형상을 얻을 수 있었다. 9회와 12회에서도 7회와 동일한 불량이 나타났으며, 상기와 같은 방법으로 2.5mm 씩 이송거리를 감소시켜가며 성형해석을 수행한 결과 이송거리가 각각 10mm 와 5mm 일 경우 모두 양호한 형상을 가짐을 알 수 있었다. Fig.
26 과 같이 양호한 두부 형상을 얻어 스피닝 성형이 가능함을 알 수 있었다. 그리고 파열 시험 역시 제안된 해석조건으로 수행한 결과 Fig. 27 과 같이 해석결과와 동일하게 파열의 위치가 두부가 아닌 실린더부에서 발생하여 파열시험에 대하여 만족함을 알 수 있었다.
상기의 해석결과로 얻은 두부형상 단면의 최대 두께는 약 18mm 로 최초두께 8mm 대비 2.25 배 증가되었다. 이는 저장용기의 두부 설계시 최대두께 20.
25 는 금속 라이너의 파열압력에 대한 구조 해석 비교결과를 나타낸 것이다. 설계모델 및 성형 해석결과 모델에 대한 두부의 최대응력은 각각 583MPa, 580MPa 로 인장강도(890MPa)를 넘지 않아 안전하였으나, 실린더부의 최대응력은 각각 897MPa, 895MPa 로 인장강도(890MPa) 보다 크므로 저장용기의 파열이 발생하였다.
08ton 으로 축 방향 하중의 차이는 거의 없었다. 위의 결과를 토대로 7회의 성형시 초기의 이송거리 22.5mm를 2.5mm씩 점점 감소시켜 가며 해석을 수행한 결과, 이송거리가 15mm 일 때 Fig. 21의 Re-7회와 같이 양호한 저장용기 형상을 얻을 수 있었다. 9회와 12회에서도 7회와 동일한 불량이 나타났으며, 상기와 같은 방법으로 2.
후속연구
저장용기의 두부는 스피닝 공정으로 인하여 상당히 두꺼워지게 된다. 이는 제품의 중량에도 영향을 미치므로 자동차의 경량화를 위해서 본 연구를 토대로한 스피닝 공정의 개선과 이를 통한 두부 두께의 감소에 관한 연구가 지속되어야 할 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
압축천연가스(CNG) 저장용기는 무엇으로 구성되어있는가?
압축천연가스(CNG) 저장용기는 금속 라이너와 보강재로 구성되어 있다. 이러한 CNG 저장용기는 인명이나 화물을 운송하는 차량에 주로 이용되며, 미세한 결함일지라도 폭발 사고의 원인이 되므로 안전성 확보를 위하여 이에 대한 연구가 계속 진행되고 있다.
CNG 저장용기는 어디에 주로 이용되는가?
압축천연가스(CNG) 저장용기는 금속 라이너와 보강재로 구성되어 있다. 이러한 CNG 저장용기는 인명이나 화물을 운송하는 차량에 주로 이용되며, 미세한 결함일지라도 폭발 사고의 원인이 되므로 안전성 확보를 위하여 이에 대한 연구가 계속 진행되고 있다.
열간 스피닝시 주요인자들이 성형력에 미치는 영향을 분석한 결과는?
(1) 열간 스피닝 성형시 성형력에 가장 큰 영향을 주는 인자는 성형온도이며, 회전속도는 성형력에 크게 영향을 미치지 않음을 알 수 있다.
최근에는 CAD 와 자동화 프로그램을 이용한 공정 및 금형설계 자동화에 관한 연구(1~6)와 실험계획법을 이용한 압축천연가스(CNG) 저장용기의 각 부위 최적 두께 제시를 통하여 경량화와 안전성을 동시에 만족하는 용기의 설계에 대한 연구가 진행되었다.(7)
Choi, J. C., Kim C., Choi Y., Yoon J. H. and Jung S. Y., 1999, "A Study on the Development of Computer-Aided Process Design System for the Deep Drawing & Ironing of High Pressure Gas Cylinder," Proc. Of 1999 KSME Fall Annual Meeting, pp. 957-961.
최근에는 CAD 와 자동화 프로그램을 이용한 공정 및 금형설계 자동화에 관한 연구(1~6)와 실험계획법을 이용한 압축천연가스(CNG) 저장용기의 각 부위 최적 두께 제시를 통하여 경량화와 안전성을 동시에 만족하는 용기의 설계에 대한 연구가 진행되었다.(7)
Yoon, J. H., Jung, S. Y., Choi, Y., Kim, C. and Choi, J. C., 2002, "A Study on the Development of Computer-Aided Process Planning System for the Deep Drawing & Ironing of High Pressure Gas Cylinder," Trans. of the KSPE, Vol. 19, No. 2, pp. 177-186.
최근에는 CAD 와 자동화 프로그램을 이용한 공정 및 금형설계 자동화에 관한 연구(1~6)와 실험계획법을 이용한 압축천연가스(CNG) 저장용기의 각 부위 최적 두께 제시를 통하여 경량화와 안전성을 동시에 만족하는 용기의 설계에 대한 연구가 진행되었다.(7)
Kim, E. S., Kim J. H., Park, Y. S., Kim, C. and Choi, J. C., 2003, "Development of an Automated Design System of CNG Composite Vessel Using Steel Liner Manufactured by D.D.I Process," Trans. of the KSPE, Vol. 20, No. 1, pp. 205-213.
최근에는 CAD 와 자동화 프로그램을 이용한 공정 및 금형설계 자동화에 관한 연구(1~6)와 실험계획법을 이용한 압축천연가스(CNG) 저장용기의 각 부위 최적 두께 제시를 통하여 경량화와 안전성을 동시에 만족하는 용기의 설계에 대한 연구가 진행되었다.(7)
Choi, Y., Yoon, J. H., Park, Y. S. and Choi, J. C., 2004, "A Study on the Die Design for Manufacturing of High Pressure Gas Cylinder," Trans. of the KSPE, Vol. 21, No. 7, pp. 153-162.
최근에는 CAD 와 자동화 프로그램을 이용한 공정 및 금형설계 자동화에 관한 연구(1~6)와 실험계획법을 이용한 압축천연가스(CNG) 저장용기의 각 부위 최적 두께 제시를 통하여 경량화와 안전성을 동시에 만족하는 용기의 설계에 대한 연구가 진행되었다.(7)
Kim, H. Y., Bae, W. B., Jang, Y. J., Kim, C., 2008, "Optimal Design of the Fuel Storage Vessel of CNG Automobile by Considering Structural Efficiency," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A, Vol. 32, No. 6, pp. 465-473.
최근에는 CAD 와 자동화 프로그램을 이용한 공정 및 금형설계 자동화에 관한 연구(1~6)와 실험계획법을 이용한 압축천연가스(CNG) 저장용기의 각 부위 최적 두께 제시를 통하여 경량화와 안전성을 동시에 만족하는 용기의 설계에 대한 연구가 진행되었다.(7)
Kim, H. Y., 2008, "An Optimal Shape Design and Its Fatigue Life Prediction of the Composite Pressure Vessels Equipped with the CNG Automobiles," Dept. of Precision Mechanical Engineering, The Doctor's Course, Pusan National University a Doctoral dissertation.
최근에는 CAD 와 자동화 프로그램을 이용한 공정 및 금형설계 자동화에 관한 연구(1~6)와 실험계획법을 이용한 압축천연가스(CNG) 저장용기의 각 부위 최적 두께 제시를 통하여 경량화와 안전성을 동시에 만족하는 용기의 설계에 대한 연구가 진행되었다.(7)
Kang, Y. S. and Yang, D. Y., 1997, "Three-Dimensional Finite Element Analysis of Hot Square Die Extrusion by Using Split ALE Method," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A, Vol. 21, No. 11, pp. 1912-1920.
일반적인 소성 가공 문제를 해석하는데 있어서는 Lagrangian 기법을 사용하지만, 스피닝과 같이 소재의 회전 및 유동변화가 존재하는 경우에는 ALE(Arbitrary Lagrangian Eulerian) 기법을 소성가공 해석에 접목시키는데 이 기법은 Lagrangian 기법과 Eulerian 기법의 장점을 취한 것으로 계산 격자의 움직임과 연속체 입자의 상대운동을 모두 고려할 수 있다.(8)
Transvalor, 2011, "Forge Online Help Version 3.3 EN - Processes Tutorial," http://www.transvalor.com
스피닝 공정은 성형이 마무리 될 때까지 토치에 의한 용기의 가열과 냉각장치에 의한 롤러의 냉각이 이루어지므로 용기와 롤러는 최대 1300℃ 정도의 온도 차이가 나기 때문에 이는 FORGE 에서 제공하는 세가지 열전달 옵션(Steel hot weak, Steel hot medium, Steel hot strong) 가운데 Steel hot strong 을 열전달 조건(9)으로 하였고, 또한 열간 회전체 성형에 사용되는 Hot sliding 을 마찰조건(9)으로 적용하였다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.