[논문]연료탱크 제작시 시뮬레이션을 통한 용접변형 해석

양영수; 김덕윤; 배강열

doi:10.14775/ksmpe.2016.15.6.024

연료탱크 제작시 시뮬레이션을 통한 용접변형 해석
Analysis of Welding Distortion during the Production of Fuel Tanks for Excavators 원문보기

한국기계가공학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, v.15 no.6, 2016년, pp.24 - 34

양영수 (전남대학교 기계공학과) , 김덕윤 ((주)명진기업) , 배강열 (경남과학기술대학교 메카트로닉스공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

To attach a fuel tank to an excavator, two sets of mounting plates on which three bosses are attached are welded onto the tank. In this study, the welding process of a fuel tank for an excavator was modeled using a finite element numerical method. The tank was modeled as a simple plate to which the mounting plate or bosses were attached by fillet welding. Thermal and thermo-elasto-plastic analyses of the welding process were carried out to predict the temperature distribution and material distortion during welding, respectively. Three different welding sequences for the tank were also modelled to compare the deformation that occurred due to each welding sequence. The results of the analysis predicted that changing the welding sequence around the mounting plate could not position the boss within the allowable dimensional range. The results also revealed the sequence in which the maximum distortion of the bosses welded onto the tank was 30% less than the maximum distortion due to the other sequences.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

따라서 굴삭기의 제작과정에서 발생하는 변형을 계측하여 이를 설계에 반영하고자 하였고[1], 굴삭기의 용접변형을 용이하게 측정하기 위한 계측시스템을 개발하여, 변형 방지를 위한 제어시스템에 적용하고자 하였다[2].
해석에서는 3가지 용접 방법에서의 용접 진행시간에 따른 온도 분포 변형 분포를 계산하고 용접 종료 후 상온 상태에서 얻어진 최종 변형 형태 및 크기를 비교하였다. 이로써 용접 방법에 따른 변형 정도의 변화를 비교하고자 하였다. 특히 현재 사용되는 용접 방법에 의한 변형의 실 계측치와 동일한 방법을 모델화한 해석에 의한 예측 결과를 3개의 보스 홀을 기준으로 비교하였다.

가설 설정

3에서 보인 Left와 Right 용접에서는 X 방향을 따라 열원이 이동되게 하고 Back과 Front 용접에서는 Y 방향을 따라 열원이 이동되게 하였다. 이를 이용하여 용접순서의 변경 용접 요소의 변경 등에 대응하여 적합한 경로를 따라 입열 위치의 순차적 이동이 가능하게 하였다 필렛 용접부는 미리 상온 상태로 생성해 둔 후 표면에 가열하여 용융되는 것으로 가정하였다 마운팅 플레이트와 각 보스의 네 모서리 용접 후는 상온까지 냉각하는 동안의 온도분포를 해석하였다. 보스 필렛 용접의 경우는 각 보스 주위에 Back, Left, Front, Right 순서로 시계방향으로 용접이 이뤄지게 하였고 Fig.

제안 방법

각 시간 단계 별로 저장된 탱크 모델에 대한 열전달 해석 결과를 이용하여 열응력과 변형해석을 수행하였다. Fig.
굴삭기 연료탱크의 탑재부 용접 공정에 대한 수치해석 모델을 제시하고 용접 및 조립 순서에 변화에 따른 용접 변형의 크기를 수치해석 방법으로 예측하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
2에서 제시한 모델로써 마운팅 플레이트를 평판에 또는 변형 저감을 위한 대안으로 보스를 마운팅 플레이트를 가진 평판에 필렛용접으로 조립하는 공정을 대상으로 하였다. 변형 해석은 열전달 해석과 열변형 해석으로 구성되고 열전달 해석의 시간 단계별 결과를 활용하여 각 단계에 해당하는 열변형 해석을 수행한다.
이를 이용하여 용접순서의 변경 용접 요소의 변경 등에 대응하여 적합한 경로를 따라 입열 위치의 순차적 이동이 가능하게 하였다 필렛 용접부는 미리 상온 상태로 생성해 둔 후 표면에 가열하여 용융되는 것으로 가정하였다 마운팅 플레이트와 각 보스의 네 모서리 용접 후는 상온까지 냉각하는 동안의 온도분포를 해석하였다. 보스 필렛 용접의 경우는 각 보스 주위에 Back, Left, Front, Right 순서로 시계방향으로 용접이 이뤄지게 하였고 Fig. 3에서 보인 보스 1, 2, 3의 순서로 용접이 진행되게 프로그램을 작성하였다 해석 영역인 용접 부재의 초기온도는 20oC 대류계수는 15 W/m²K 로 설정하였다^[12]. 온도해석에서 시간 간격은 최대 온도 증분이 50oC가 넘지 않도록 설정하였다.
본 연구에서는 연료탱크에 보스를 가진 마운팅 플레이트를 용접하는 공정을 유한요소법을 이용한 수치해석 방법을 활용하여 모사하고 차원 열변형 해석을 수행하여 용접에 의한 변형을 예측하고자 하였다 실제의 연료 탱크를 적합한 경계조건을 가진 강판 모델로 대체하고 탱크의 대칭 구조를 고려하여 반 폭의 모델을 설정하고 이에 대칭면을 두어 실제 탱크의 크기 효과를 얻고자 하였다 가스메탈아크 용접은 가우스 분포를 가진 이동 열원으로 모델링하였다 제안된 해석 모델을 이용하여 보스가 용접된 마운팅 플레이트를 연료탱크에 용접하는 경우에 대한 해석 그리고 이때의 용접 순서를 변경한 경우에 대한 해석을 수행하였다 해석에 의한 결과는 탱크의 제작에서 실제 계측한 치수와 비교하였다 또한 용접 변형을 저감할 수 있는 방안으로 마운팅 플레이트를 연료 탱크에 미리 용접 조립하고 허용 치수가 실질적으로 중요한 보스를 마운팅 플레이트의 정확한 위치에 취부한 다음 직접 용접하는 조립 순서를 변경하는 방법을 제안하였다 제안된 방안에 대한 열변형 해석을 수행하여 용접 순서의 변경과 조립 순서의 변경에 따른 용접변형의 크기를 비교하고자 하였다.
연강 재질로 제작된 연료탱크에 보스를 가진 마운팅 플레이트의 용접을 실시하고 변형을 측정하기 위한 실험을 실시하였다. 실험에서의 용접은 보스가 미리 용접된 마운팅 플레이트를 탱크 위에 용접하는 경우였고 시계방향으로 용접하는 순서를 채용하였다 Fig. 2에 보인 치수를 가진 연료탱크와 마운팅 플레이트를 로봇을 이용하여 가스메탈아크 용접하였다. 용접 조건에서 전류 전압 용접속력은 해석에 나타난 크기와 동일하였고 Fig.
연강 재질로 제작된 연료탱크에 보스를 가진 마운팅 플레이트의 용접을 실시하고 변형을 측정하기 위한 실험을 실시하였다. 실험에서의 용접은 보스가 미리 용접된 마운팅 플레이트를 탱크 위에 용접하는 경우였고 시계방향으로 용접하는 순서를 채용하였다 Fig.
1에 용접된 결과를 보여주고 있다. 용접과 변형계측은 동일한 조건으로 4개 탱크에 대하여 실시하였고 변형의 계측은 3차원 측정기인 레이아웃 머신을 이용하여 용접 후 각 보스 구멍의 중앙이 설계치로부터의 편이된 직선 거리를 측정하였다.
용접에 의한 온도 분포 및 열이력 해석을 위해 대칭면 (Y=0) 에서는 단열 조건을 적용하고 필렛용접부를 따라서 열원이 이동하면서 입열을 하도록 하였다 나머지 면에서는 대기로 대류에 의한 열전달이 발생하도록 하였다 열원이 마운팅 플레이트와 보스의 주위 필렛부를 정확히 추적할 수 있도록 용접 시간 용접 속도 용접부 위치를 활용하여 포트란 언어로써 별도의 사용자 프로그램을 작성하고 활용하였다 Fig. 3에서 보인 Left와 Right 용접에서는 X 방향을 따라 열원이 이동되게 하고 Back과 Front 용접에서는 Y 방향을 따라 열원이 이동되게 하였다.
유한요소해석을 위하여 각각의 탱크 모델을 유한요소로 분할하였다. 대표적으로 보스 용접을 대상으로 하는 모델을 Fig.
응력 및 변형 해석에서는 온도분포 해석의 결과를 각 시간 단계별로 활용하여 각 단계에서의 해석을 수행하였다 열에 의한 응력 및 변형의 해석에서 대칭면 (Y=0) 에서는 Y 방향 변위를 구속하고 Fig. 2에서 보인 좌표계에서, X가 0인 (0, 0, 0)과 (0, 427, 0)의 두 위치에서는 X 방향의 변위를 구속하였다 Y가 427 mm인 (0, 427, 0), (394, 427, 0), 그리고 (788, 427, 0)의 세 위치에서 Z 방향 변위를 구속하였다 이와 같은 구속으로 해석영역의 강체 변형을 방지하게 하였고 특히 Y가 427 mm인 위치에서 Z 방향 변위의 구속은 탱크를 구성하는 세로 벽의 효과를 인가하고자 한 것이다.
폭 길이 상하 등의 세 방향 변형을 벡터 합성형태로 합하면 변형의 절대 크기를 산출할 수 있다 마운팅 플레이트 용접 순서 변경에 따른 변형의 크기와 보스 용접에 의한 변형의 크기를 세개의 보스 홀이 놓이는 위치 (Y 347 mm) 에서 성분별 그리고 절대 크기로 나타내고자 하였다. Fig.
해석결과에서는 모델 각 절점의 변형 이력 및 잔류 변형의 크기가 산출되므로 이를 활용하여 용접 방법에 따른 탱크의 변형 크기를 비교할 수 있다. Fig.
해석에서는 3가지 용접 방법에서의 용접 진행시간에 따른 온도 분포 변형 분포를 계산하고 용접 종료 후 상온 상태에서 얻어진 최종 변형 형태 및 크기를 비교하였다. 이로써 용접 방법에 따른 변형 정도의 변화를 비교하고자 하였다.

대상 데이터

연료탱크에 대한 용접공정의 해석은 Fig. 2에서 제시한 모델로써 마운팅 플레이트를 평판에 또는 변형 저감을 위한 대안으로 보스를 마운팅 플레이트를 가진 평판에 필렛용접으로 조립하는 공정을 대상으로 하였다. 변형 해석은 열전달 해석과 열변형 해석으로 구성되고 열전달 해석의 시간 단계별 결과를 활용하여 각 단계에 해당하는 열변형 해석을 수행한다.
해석에서는 약 17,000개의 선형 4면체 요소를 사용하였고 필렛 용접부 주위에서는 절점 간격을 작게 열의 영향을 작게 받는 탱크 모재에는 요소를 크게 나누었고 최소 절점 간격은 1.5 mm이었다.

데이터처리

이로써 용접 방법에 따른 변형 정도의 변화를 비교하고자 하였다. 특히 현재 사용되는 용접 방법에 의한 변형의 실 계측치와 동일한 방법을 모델화한 해석에 의한 예측 결과를 3개의 보스 홀을 기준으로 비교하였다.

이론/모형

본 연구에서는 위에 나타난 유한요소방정식의 계산을 포함한 연료탱크 용접공정의 열전달과 열변형 모델의 해석에 상용 소프트웨어인 ABAQUS를 사용하였다[11] 용접공정에 대한 해석은 3가지로 수행하였다 해석을 위한 모델은 Fig. 3에 보이고 있다 첫째는 Fig. 3

성능/효과

(a)는 시계 방향 용접의 경우로 변형은 최대 0.66 mm의 크기로 수축될 것으로 예측되었다.
1.수치해석을 통해 연료탱크 용접에서 열응력 및 변형의 크기를 예측할 수 있었고 또 용접 순서의 변경이나 조립 순서의 변경에 대하여 용이하게 그 효과를 판단할 수 있었다.
2.보스를 가진 마운팅 플레이트를 시계 방향의 순서로 용접하는 경우는 최대 변형이 0.66 mm반시계 방향으로 용접하는 경우는 0.62 mm의 크기로 발생하는 것으로 예측되어 용접 순서의 변경에 의한 변형 저감 효과는 크게 나타나지 않는 것으로 예측되었다.
3.마운팅 플레이트가 용접된 상태에서 보스를 용접하는 조립 순서의 경우에는 보스 홀의 변형이 0.46 mm 발생하는 것으로 예측되어 약 30% 정도변형이 저감될 수 있었다. 이는 보스 변형의 허용오차 이내인 정도로 변형 저감의 측면에서는 조립 순서를 변경하는 것이 타당함을 알 수 있었다.
18 mm 수축되는 것으로 예측되었고 길이가 약 150에서 700 mm 구간에서는 균일한 크기의 변형을 보이고 있으며 시계 방향과 반시계 방향에 의한 용접 순서 차이는 크지 않은 것으로 판단할 수 있다. 세 개의 보스를 각각 용접한 결과 횡방향으로 최대 0.1 mm의 수축 변형을 야기하는 것으로 예측되었다. 수축되는 형태는 길이 방향에 따라 균일하지 않게 나타나고 있다.

후속연구

4.제안된 모델 및 해석 방법을 적용함으로써 탱크의 크기 변화 용접 부의 크기 및 조건의 변화 그리고 용접 부재의 위치 변화 등에 따른 변형의 예측이 가능하며 변형을 감안한 설계와 변형을 저감하기 위한 다른 방안의 검토에 활용될 수 있을 것으로 판단되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	연료탱크에서 체결부가 필요한 이유는?	굴삭기에 탑재되는 연료탱크는 강재 절단 판재성형 용접 도장 등의 공정으로 제작된다 연료탱크를 중장비에 탑재하기 위해서는 체결부가 필요하여 연료탱크의 상부에는 좌우 양 쪽에 체결 구멍을 가진 보스 boss 와 이를 지지하는 마운팅 플레이트 mounting plate 가 부가적으로 부착된다 제작의 효율을 위해 보스는 별도의 위치에서 마운팅플레이트에 용접되고 연료탱크에는 보스를 가진 마운팅 플레이트가 용접에 의해 조립된다 중장비본체와의 조립을 위해 연료탱크의 좌우 보스 홀hole 간의 거리는 허용 치수를 유지해야 하나 용접에 의한 변형으로 인하여 홀 간의 치수를 정확하게 유지하여 제작하기가 어렵다 용접에 의한 변형 문제를 해소하기 위하여는 변형을 감안한 설계와 생산이 필요하고 이를 위해서는 다양한 용접 순서와 조립 순서에 따른 변형의 발생 형태 및 크기의 파악이 이뤄져야 한다 따라서 굴삭기의 제작과정에서 발생하는 변형을 계측하여 이를 설계에 반영하고자 하였고[1] 굴삭기의 용접변형을 용이하게 측정하기 위한 계측시스템을 개발하여 변형 방지를 위한 제어시스템에 적용하고자 하였다 한편 실질적인 제작과 측정의 방법은 비용과 시간의 관점 그리고 결과 해석의 측면에서 매우 어려운 변형 접근 방법이다 그러므로 제작 공정을 모델화하고 이론적 또는 수치적인 방법으로 변형을 해석하는 방법을 적용하고 이를 실험을 통해 검증하는 과정이 효율적인 방법이 된다 용접구조물의 변형해석을 위해서는 용접에 의한 열전달 그리고 이로 인한 열변형을 고려하여야 하며 이에 대한 수치해석적 연구가 지속되고 있다[3~6] 중장비 제작에서 용접 변형을 감안하여 설계를 개선하고자 굴삭기 선회부품의 용접에서 열변형의 해석을 유한요소해석 방법으로 수행한 사례가 있다 한편 굴삭기의 연료탱크 제작에서 발생하는 변형의 측정이나 해석에 관한 자료가 부족하여 변형을 저감하기 위한 제작이나 변형을 감안한 설계의 적용이 어려운 실정이다.
	연료탱크는 어떻게 제작되는가?	굴삭기에 탑재되는 연료탱크는 강재 절단 판재성형 용접 도장 등의 공정으로 제작된다 연료탱크를 중장비에 탑재하기 위해서는 체결부가 필요하여 연료탱크의 상부에는 좌우 양 쪽에 체결 구멍을 가진 보스 boss 와 이를 지지하는 마운팅 플레이트 mounting plate 가 부가적으로 부착된다 제작의 효율을 위해 보스는 별도의 위치에서 마운팅플레이트에 용접되고 연료탱크에는 보스를 가진 마운팅 플레이트가 용접에 의해 조립된다 중장비본체와의 조립을 위해 연료탱크의 좌우 보스 홀hole 간의 거리는 허용 치수를 유지해야 하나 용접에 의한 변형으로 인하여 홀 간의 치수를 정확하게 유지하여 제작하기가 어렵다 용접에 의한 변형 문제를 해소하기 위하여는 변형을 감안한 설계와 생산이 필요하고 이를 위해서는 다양한 용접 순서와 조립 순서에 따른 변형의 발생 형태 및 크기의 파악이 이뤄져야 한다 따라서 굴삭기의 제작과정에서 발생하는 변형을 계측하여 이를 설계에 반영하고자 하였고[1] 굴삭기의 용접변형을 용이하게 측정하기 위한 계측시스템을 개발하여 변형 방지를 위한 제어시스템에 적용하고자 하였다 한편 실질적인 제작과 측정의 방법은 비용과 시간의 관점 그리고 결과 해석의 측면에서 매우 어려운 변형 접근 방법이다 그러므로 제작 공정을 모델화하고 이론적 또는 수치적인 방법으로 변형을 해석하는 방법을 적용하고 이를 실험을 통해 검증하는 과정이 효율적인 방법이 된다 용접구조물의 변형해석을 위해서는 용접에 의한 열전달 그리고 이로 인한 열변형을 고려하여야 하며 이에 대한 수치해석적 연구가 지속되고 있다[3~6] 중장비 제작에서 용접 변형을 감안하여 설계를 개선하고자 굴삭기 선회부품의 용접에서 열변형의 해석을 유한요소해석 방법으로 수행한 사례가 있다 한편 굴삭기의 연료탱크 제작에서 발생하는 변형의 측정이나 해석에 관한 자료가 부족하여 변형을 저감하기 위한 제작이나 변형을 감안한 설계의 적용이 어려운 실정이다.

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저자의 다른 논문 :

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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