[논문]나사 풀림 방지를 위한 삽입 부품의 설계 최적화

박상근

doi:10.5762/kais.2015.16.4.2356

나사 풀림 방지를 위한 삽입 부품의 설계 최적화
An Optimization Design of the Insertion Part for Preventing the Screw Thread from Loosening 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.16 no.4, 2015년, pp.2356 - 2363

박상근 (한국교통대학교 기계공학과)

초록
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본 연구는 볼트강도등급 10.9에 의해 추천되는 조임 토크 640~800(Nm)가 볼트-너트 체결체에 가해졌을 때 풀림 방지를 위한 코일 스프링의 삽입 및 시뮬레이션 기반 설계 최적화에 관한 것이다. 먼저 볼트-너트-코일스프링으로 구성된 조립체에 대하여 등가응력에 기반을 둔 구조 안전성 판단을 위한 조립체 구조해석 시뮬레이션을 수행한다. 그리고 이러한 해석 시뮬레이션 결과로부터 설계 개선안 도출을 위한 설계전략을 수립한다. 또한 이 전략 안에서 기존 설계의 성능을 개선해 나가는 반복 과정을 제안한다. 이 과정에서는 먼저 반응표면법을 사용하여 설계 파라미터 후보점을 찾고, 그 후보점의 반응값과 실제 시뮬레이션 결과를 비교함으로써 설계 후보점(코일스프링 감감수 N = 6)이 최적인지를 검증한다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study deals the optimization design with the simulation based design of a coil spring inserted into the lock nut for preventing the screw thread from loosening at the bolted joint when the high-strength steel bolt with the property class of 10.9 is used and the screw torque of 640 to 800 (Nm) is applied. In this study, structural analysis of assembly composed of bolt, nut and coil spring is carried out to evaluate its safety factors on the basis of the equivalent stress with commercial finite element analysis software. And the design strategy to extract the design improvement from these simulation results is established. An iterative process performed with the proposed design strategy is also proposed for improving the performance of the existing design. At the proposed procedure, the feasible design parameters using response surface method are found, and then these parameters are verified to be optimal or not by comparing with the response values and the simulation results obtained from the feasible parameters.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이 로크너트는 너트 내부에 스프링을 장착하고 있는데 볼트와 스프링이 체결을 통하여 볼트 축력을 증대시켜 볼트와 너트 간의 결합력(체결력)을 증대시키려는 제품이다. 본 연구는 현재 주목 받고 있는 로크너트 구조를 가진 스프링이 삽입된 너트 구조물에 관해 구조적 안전성 증대를 위하여 구조해석 시뮬레이션을 통하여 너트 내부에 장착된 스프링의 최적 형상을 설계 하는 것이다. ANSYS Workbench을 이용하여 구조해석을 수행하며 설계 최적화를 위한 설계 개선 과정을 제안한다.
본 연구의 궁극적 목표는 볼트-너트 체결 체의 풀림방지를 위한 특수 목적의 나사 풀림 구조물을 설계하는 것이다. 본 연구에서는 이를 위한 첫 번째 시도로서, 여러 가지 방안을 연구 개발 중에 있으나, (주)임진에스티에서 제안한 코일 스프링 방식의 풀림 방지 메카니즘을본 연구 모델의 기본 개념(방향)으로 설정하고자 한다. 먼저 ㈜임진에스티에서 생산 중에 있는 볼트, 너트, 및 풀림 방지 스프링을 모델링하고, 최악의 사용 환경을 고려한 해석 조건을 설정한 후, 이를 ANSYS소프트웨어를 사용하여 구조해석 시뮬레이션을 수행한다.
본 연구의 궁극적 목표는 볼트-너트 체결 체의 풀림방지를 위한 특수 목적의 나사 풀림 구조물을 설계하는 것이다. 본 연구에서는 이를 위한 첫 번째 시도로서, 여러 가지 방안을 연구 개발 중에 있으나, (주)임진에스티에서 제안한 코일 스프링 방식의 풀림 방지 메카니즘을본 연구 모델의 기본 개념(방향)으로 설정하고자 한다.
그리고 이 결과를 바탕으로 설계 개선에 필요한 설계 파라미터를 선정하고, 이 파라미터의 변화에 따른 응력분포 및 안전성 여부를 판단한다. 이러한 평가 결과에 기반하여 최적의 설계 파라미터를 탐색하고 최종적으로 설계 개선안을 도출하고자 한다.

가설 설정

코일 스프링의 조임력에 의하여 볼트와 스프링 간의 접촉 면에 억지끼움 조건을 적용한다. 이 접촉 조건은 미끄러짐이 없음을 가정한 조건으로서 볼트와 너트 간 풀림 상황에서 코일 스프링은 볼트를 더욱 조이기 때문에 미끄러짐 없음 가정은 적절한 설정이라 판단된다.

제안 방법

본 연구는 볼트강도등급 10.9에 의해 추천되는 조임 토크 640～800(Nm)가 볼트-너트 체결체에 가해졌을 때 풀림 방지를 위한 코일 스프링의 삽입 및 설계 파라미터 선정에 관한 것으로서, 1) 먼저 볼트-너트-코일스프링 조립체의 구조 해석 시뮬레이션을 수행하였고, 2) 그 결과를 토대로 최적의 코일 스프링을 설계하였다. 그리고3) 상기 설계를 위한 순차적인 설계 개선 과정을 3절에서 제안하였고, 4) 이 과정에 의해 도출된 최종 시뮬레이션 결과를 Fig.
본 연구는 현재 주목 받고 있는 로크너트 구조를 가진 스프링이 삽입된 너트 구조물에 관해 구조적 안전성 증대를 위하여 구조해석 시뮬레이션을 통하여 너트 내부에 장착된 스프링의 최적 형상을 설계 하는 것이다. ANSYS Workbench을 이용하여 구조해석을 수행하며 설계 최적화를 위한 설계 개선 과정을 제안한다.
먼저 ㈜임진에스티에서 생산 중에 있는 볼트, 너트, 및 풀림 방지 스프링을 모델링하고, 최악의 사용 환경을 고려한 해석 조건을 설정한 후, 이를 ANSYS소프트웨어를 사용하여 구조해석 시뮬레이션을 수행한다. 그리고 이 결과를 바탕으로 설계 개선에 필요한 설계 파라미터를 선정하고, 이 파라미터의 변화에 따른 응력분포 및 안전성 여부를 판단한다. 이러한 평가 결과에 기반하여 최적의 설계 파라미터를 탐색하고 최종적으로 설계 개선안을 도출하고자 한다.
또한 효율적인 시뮬레이션 수행을 위해 메쉬 크기와 그 분포를 조정할 수 있으나, 본 연구에서는 ANSYS 소프트웨어에서 제공하는 자동 메쉬 생성 기능을 사용하여 해석을 수행 하였다. 그리고 해석 결과는 계산된 등가응력(equivalent stress)의 분포를 가시화 함으로써 확인하며, 안전성 여부 및 그 크기는 안전계수 분포를 통하여 판단한다.
단, 나사 산이 존재하는 영역은 형상복잡성으로 인해 사면체 요소를 사용한다. 또한 효율적인 시뮬레이션 수행을 위해 메쉬 크기와 그 분포를 조정할 수 있으나, 본 연구에서는 ANSYS 소프트웨어에서 제공하는 자동 메쉬 생성 기능을 사용하여 해석을 수행 하였다. 그리고 해석 결과는 계산된 등가응력(equivalent stress)의 분포를 가시화 함으로써 확인하며, 안전성 여부 및 그 크기는 안전계수 분포를 통하여 판단한다.
본 연구에서는 이를 위한 첫 번째 시도로서, 여러 가지 방안을 연구 개발 중에 있으나, (주)임진에스티에서 제안한 코일 스프링 방식의 풀림 방지 메카니즘을본 연구 모델의 기본 개념(방향)으로 설정하고자 한다. 먼저 ㈜임진에스티에서 생산 중에 있는 볼트, 너트, 및 풀림 방지 스프링을 모델링하고, 최악의 사용 환경을 고려한 해석 조건을 설정한 후, 이를 ANSYS소프트웨어를 사용하여 구조해석 시뮬레이션을 수행한다. 그리고 이 결과를 바탕으로 설계 개선에 필요한 설계 파라미터를 선정하고, 이 파라미터의 변화에 따른 응력분포 및 안전성 여부를 판단한다.
본 연구의 경우도 마찬가지이다. 본 연구에서는 1회 시뮬레이션하는데 많은 시간이 소요되고 또한 설계 공간 상의 목적함수가 연속이며 그 변화 또한 심하지 않기 때문에 계산 효율성 측면에 높은 가중치를 두었다. 즉 경우의 수를 최소화하기 위해 3점을 선택하였고 그 위치는 임의로 선정하였다.
(근사 최적화 기법으로 반응표면법(response surface method)[5], 공간매핑법(space mapping technique)[6], 다양체 매핑법(manifold mapping technique)[7], 신뢰영역 모델관리 전략(trust-region based model management strategy)[8] 등이 있다. 본 연구에서는 작업의 편의성을 위해 최소자승 근사 법을 활용한 근사 방식으로 근사 최적 값을 계산한다.)
위에서 소개한 설계 개선 과정에 의하여 볼트-너트-코일스프링으로 구성된 조립체의 최적 설계 안을 ANSYS 기반의 해석 시뮬레이션을 통하여 도출하였다. 설계 개선 과정 중 가장 힘든 작업 영역인 설계 파라미터의 선정 및 그 변화 수준에 관한 부분을 기술하면 다음과 같다
해석 시뮬레이션은 체결된 상태에서 풀림 회전력이 가해졌을 때의 상황을 계산한다. 최악의 해석 조건을 설정하기 위해 가해지는 조임 토크는 최대 허용 값인 800(Nm) 을 사용하며, 부품 간 접촉면에서의 마찰력은 가능한 한 최소값으로 설정하여 풀림 여부를 확인한다.
9이며 허용되는 조임 토크는 640 ～ 800(Nm)이다. 해석 시뮬레이션은 체결된 상태에서 풀림 회전력이 가해졌을 때의 상황을 계산한다. 최악의 해석 조건을 설정하기 위해 가해지는 조임 토크는 최대 허용 값인 800(Nm) 을 사용하며, 부품 간 접촉면에서의 마찰력은 가능한 한 최소값으로 설정하여 풀림 여부를 확인한다.

대상 데이터

이상의 파라미터 가운데 다수 개의 파라미터를 선정할 수 있으나, 감김수 1개만을 설계 파라미터로 선정하였다. 1개를 선정한 이유는 관련 업체의 요청사항으로서 코일 스프링의 형상 변화가 적어야 제조 상 고려해야 할 작업 비용이 최소화되기 때문이다.

이론/모형

너트 혹은 볼트의 강도 등급에 의해 추천되고 있는 허용 토크 중 최대 값인 800 (Nm)를 가했을 때, 볼트, 너트, 및 코일 스프링의 구조적 안전성 여부를 판단한다. 재료 파손예측이론 중에 가장 일반적으로 사용되는 전단 변형 에너지 가설(distortion energy theory: von-Mises criteria)에 기반하여 구조 안전성 및 그 수준(정도)을 판단하기 위해 다음과 같은 안전 계수(safety factor)를 계산한다.

성능/효과

9에 의해 추천되는 조임 토크 640～800(Nm)가 볼트-너트 체결체에 가해졌을 때 풀림 방지를 위한 코일 스프링의 삽입 및 설계 파라미터 선정에 관한 것으로서, 1) 먼저 볼트-너트-코일스프링 조립체의 구조 해석 시뮬레이션을 수행하였고, 2) 그 결과를 토대로 최적의 코일 스프링을 설계하였다. 그리고3) 상기 설계를 위한 순차적인 설계 개선 과정을 3절에서 제안하였고, 4) 이 과정에 의해 도출된 최종 시뮬레이션 결과를 Fig. 8과 9와 같이 제시하였고, 이로부터 N = 6일 때 최대 등가응력 값이 최소이며 최소 안전계수 값은 최대임을 확인할 수 있었다.
여기서 T는 토크, Q는 수직력, α는 리드각, ρ′는 마찰각, d는 유효지름, 그리고 μ는 마찰계수를 의미한다. 본 연구에서 사용된 나사 모델의 해당하는 파라미터 값들을 위의 식에 대입하면, 볼트에 작용하는 수직력은 Q =2578.2(N)가 됨을 확인할 수 있다.

후속연구

추후 연구로서 다수의 설계 파라미터의 선정 및 그 변화에 관한 고찰이 필요하며, 본 연구에서 상세히 다루지 못했던 선정된 설계 파라미터의 샘플링 전략(샘플점의 위치와 개수)[9]에 관한 추가 연구가 필요하다. 더불어 반응표면 생성을 위한 근사 최적화 기법[10]에 관한 개발이 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	풀림 방지를 위한 대표적인 방법은 무엇이 있는가?	한편 풀림 방지를 위한 다양한 방식들이 개발되어 왔는데 대표적으로 톱니형 볼트와 와셔를 사용하는 방법이다. 이는 톱니의 풀림 반발력을 이용한 방식으로 연성 재료는 강하게 체결되나 정밀도가 다소 떨어진다는 단점이 있다.
	풀림 현상은 어떻게 일어나게 되는가?	볼트와 너트는 각종 기기와 구조물을 체결 시 사용되는 체결 요소로서 비교적 저렴한 비용으로 체결을 구현할 수 있는 효율적인 요소이다. 그러나 체결 후 볼트에 축의 수직 방향으로 반복 하중이 가해지면 나사가 풀리게 된다[1]. 이러한 풀림 현상은 자동차 및 생산 설비 등 주로 진동이 발생하는 시스템에서 매우 빈번하게 발생하는 현상으로 볼트-너트 결합체는 이러한 풀림 현상에 의한 위험이 항상 존재한다.
	볼트와 너트의 특징은 무엇인가?	볼트와 너트는 각종 기기와 구조물을 체결 시 사용되는 체결 요소로서 비교적 저렴한 비용으로 체결을 구현할 수 있는 효율적인 요소이다. 그러나 체결 후 볼트에 축의 수직 방향으로 반복 하중이 가해지면 나사가 풀리게 된다[1].

참고문헌 (10)

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S. Izumi, T. Yokoyama, A. Iwasaki, S. Sakai, "Three-dimensional Finite Element Analysis on Tightening and Loosening Mechanism of Threaded Fastener", Engineering Failure Analysis, Vol. 12, No. 4, pp. 604-615, 2005. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.engfailanal.2004.09.009

상세보기
M. Zhang, Y. Jiang, C. H. Lee, "Finite Element Modeling of Self-loosening of Bolted Joints," Transactions of the ASME, Vol. 129, No. 2, pp. 218-226, 2007. DOI: http://dx.doi.org/10.1115/1.2406092

상세보기
H. Song, W. Chung, D. Jung, Y. Seo, "Optimum Shape Design of the Spring to Improve the Loose-proof Performance of the Lock Nut", Transactions of KSAE, Vol. 18, No. 2, pp. 91-96, 2010.
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P. W. Hemker, D. Echeverria, "A Trust-Region Strategy for Manifold-Mapping Optimization", Journal of Computational Physics, Vol. 224, pp. 464-475, 2007. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.jcp.2007.04.003

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Y. K. Son, J. H. Ryu, "Sensitivity analysis of reliability estimation methods for attribute data to sample size and sampling points of time", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol. 12, No. 2, pp. 581-587, 2011. DOI: http://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2011.12.2.581

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S. Park, "Preform Design of a Forged Punch by Approximate Optimization", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol. 15, No. 7, pp. 4057-4064, 2014. DOI: http://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2014.15.7.4057

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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