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[국내논문] CNG 저장용기의 두부 성형을 위한 열간스피닝 공정에 관한 연구
Study of Hot Spinning Process for Head of CNG Storage Vessel 원문보기 논문타임라인

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.37 no.4, 2013년, pp.547 - 554  

이현우 (부산대학교 창의공학시스템) ,  정성윤 (부산대학교 기계기술연구원) ,  김철 (부산대학교 기계기술연구원)

초록
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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.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

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 ...

Keyword

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문제 정의

  • 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.
  • 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.
  • 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.

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.
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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.
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참고문헌 (9)

  1. Brochure of Fielding Co. Ltd, 1998, U.K. 

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    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)

  2. 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. 

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    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)

  3. 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. 

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    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)

  4. 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. 

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    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)

  5. 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. 

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    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)

  6. 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. 

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  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. 

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  8. 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. 

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    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)

  9. Transvalor, 2011, "Forge Online Help Version 3.3 EN - Processes Tutorial," http://www.transvalor.com 

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    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.

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