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문제 정의
- 본 연구에서는 블록/헤드/개스킷으로 구성된 엔진 어셈블리 유한요소 모델을 사용하여 열하중과 기계적 하중에 의한 모델의 거동과 응력, 개스킷 면압 분포 등에 관한 결과를 도출하고자 하였다. 그리고 개스킷의 밀폐력 분석을 통한 모델의 강건 설계를 위해 헤드볼트의 길이, 크기 그리고 개스킷 비드부의 두께를 제어인자로 선택하였다.
제안 방법
- 엔진 구동 시에 개스킷의 밀폐 성능을 보어주변의 면압 분포로 평가하였다. 개스킷은 바디부와 비드부로 나누어서 모델링하였으며, Fig. 11은 실린더 별로 비드부의 밀폐압 분포를 실린더 별로 분류하여 결과를 표시 하였다. 각각의 헤드볼트 근처에서 밀폐압이 집중되는 것이 나타나며, 열하중의 영향으로 팽창되어 실린더와 실린더 사이에서 추가적인 밀폐압 집중이 보였다.
- 본 연구에서는 블록/헤드/개스킷으로 구성된 엔진 어셈블리 유한요소 모델을 사용하여 열하중과 기계적 하중에 의한 모델의 거동과 응력, 개스킷 면압 분포 등에 관한 결과를 도출하고자 하였다. 그리고 개스킷의 밀폐력 분석을 통한 모델의 강건 설계를 위해 헤드볼트의 길이, 크기 그리고 개스킷 비드부의 두께를 제어인자로 선택하였다. 사용된 다꾸지 법은 적은 실험 횟수로도 각 인자의 영향을 파악할 수 있고 최적의 인자 값과 그 조합을 정량적으로 얻을 수 있다.
- 개스킷의 경우 ABAQUS사에서 제공하는 8절점 육면체 개스킷요소(GK3D8N)를 사용하였다. 또한 개스킷은 비드부와 바디부를 분리하여 모델링하였으며 개스킷과 엔진헤드의 접촉부에서는 헤드와 개스킷 서로간의 절점위치를 최대한 동일하게 생성하였다. 사용된 재료의 재질과 기계적 물성치는 다음 Table 2와 같으며, 개스킷의 비선형성을 고려한 유한요소해석을 위해 Fig.
- 제어가 어려운 엔진작동 환경에서 강건 설계 조건을 만족하는 개스킷 설계조건을 다꾸지 기법을 이용하여 해석하였다. 설계변경 가능한 볼트의 길이, 볼트의 크기, 비드의 두께를 A, B, C인자로 선택하였고 이를 3수준 내측배열로 설정하였다. 제어가 어려운 볼트하중을 잡음인자로 선택하고 2수준 외측배열로 설정하여 L921의 직교배열표를 구성하였다(Table 7).
- 엔진 구동 시에 개스킷의 밀폐 성능을 보어주변의 면압 분포로 평가하였다. 개스킷은 바디부와 비드부로 나누어서 모델링하였으며, Fig.
- 헤드 볼트 체결력은 ABAQUS의 pre-tension 기능을 사용하여 적용하였다. 엔진 블록 부분은 C3D4 사면체요소를 사용하고 블록의 실린더와 상단 면을 제외한 나머지 부분은 요소망 크기를 점차적으로 증가시켜 모델링하였다. 개스킷의 경우 ABAQUS사에서 제공하는 8절점 육면체 개스킷요소(GK3D8N)를 사용하였다.
- 엔진 어셈블리 모델의 설계 변동이 가능한 제어인자(control factor)와 제어가 어려운잡음인자(noise factor)로 나누어 각각 알맞은 인자를 결정하였다. 제어인자는 제어인자 값이 변하였을 때 개스킷 밀폐압에 영향을 끼치는 헤드 볼트 길이와 볼트 크기 그리고 개스킷의 비드부의 두께로 총 3종류의 인자를 선택하였고, 제어가 어려운 잡음인자는 헤드볼트하중을 선택하였다.
- 엔진 어셈블리 유한요소 모델에 조립하중, 열하중, 폭발하중을 적용한 결과를 사용하여 엔진의 열분포, 응력, 개스킷 밀폐압을 계산하였다. 최적의 개스킷 밀폐압 조건을 설정하기 위해 다구찌 기법을 사용한 강건모델을 구현하였다.
- 하중조건은 조립하중, 열하중, 폭발하중으로 구성되어지고 사용된 하중 순서는 Table 3에 나타내었다. 엔진 헤드와 블록의 체결시 발생하는 조립하중은 볼트하중과 실린더헤드에 압입되는 밸브시트와 밸브가이드에 상응하는 접촉 압력을 고려하였으며, 총 8개의 볼트에 각각 55000 N의 볼트하중을 적용하였다. 열 하중은 각각의 면에 적용된 열전달 계수와 주위온도를 적용한 열전달 해석의 결과인 온도분포 결과를 step 3에서 읽어 들여 적용하였다.
- 엔진조립하중, 열하중, 폭발하중이 가해진 각각의 상태에 대한 변형양상, 응력분포에 대한 해석결과를 정리하였다. 볼트체결과 밸브시트, 밸브가이드 압입 하중에 의한 헤드와 엔진 블록의 변형모습과 응력분포를 Fig.
- 열 하중은 각각의 면에 적용된 열전달 계수와 주위온도를 적용한 열전달 해석의 결과인 온도분포 결과를 step 3에서 읽어 들여 적용하였다. 연소압 즉 엔진의 폭발압(100 bar)을 연소실의 화염면과 실린더 라이너에 적용하였다(Fig. 4).
- 사용된 엔진은 엔진 헤드, 엔진 블록, 헤드 볼트, 밸브시트, 밸브가이드, 헤드 개스킷으로 구성된 3기통 직렬 가솔린 엔진이다. 열 경계조건을 사용한 열전달 해석, 열전달 해석 결과를 이용한 열/기계응력 해석을 수행하였고 개스킷 면압을 계산하여 강건 개스킷 설계에 유의한 인자 분석과 영향에 대한 연구를 진행하였다.
- 헤드와 개스킷에는 미세한 미끄러짐을 고려하여 small sliding 접촉 조건을 사용하였고, 개스킷과 블록에는 시뮬레이션 실행시간을 단축하기 위하여 타이접촉조건(tie contact)을 부여하였다. 온도장 분포를 계산하기 위한 열전달 해석 경계조건은 연소 개스, 냉각수, 오일과 접촉하는 면상에 열전달 계수와 주위온도를 정의하였다.5,9,10)
- 엔진헤드의 경우 복잡한 형상과 열하중, 폭발하중, 조립하중이 복합적으로 작용하기 때문에 다른 부품보다 세밀한 요소를 설정하였다. 접촉 조건에 적합한 8절점 육면체 요소인 C3D8요소를 사용하여 모델링을 하였으며, 밸브 시트(valve seat)와 밸브 가이드(valve guide)도 포함하여 모델링을 하였다. 헤드 볼트 체결력은 ABAQUS의 pre-tension 기능을 사용하여 적용하였다.
- 설계변경 가능한 볼트의 길이, 볼트의 크기, 비드의 두께를 A, B, C인자로 선택하였고 이를 3수준 내측배열로 설정하였다. 제어가 어려운 볼트하중을 잡음인자로 선택하고 2수준 외측배열로 설정하여 L921의 직교배열표를 구성하였다(Table 7). 그리고 개스킷의 밀폐압에 대한 응력 평균 및 S/N비의 주효과도를 Fig.
- 본 연구는 엔진 구동시 개스킷 밀폐압에 영향을 미치는 인자에 대한 밀폐압 상향 및 유지 등의 조건을 다구찌 기법을 사용하여 평가하였다. 제어인자와 잡음인자를 선정하여 직교배열표를 구성하였고 총 18번의 해석을 수행 하였다.
- 엔진 어셈블리 유한요소 모델에 조립하중, 열하중, 폭발하중을 적용한 결과를 사용하여 엔진의 열분포, 응력, 개스킷 밀폐압을 계산하였다. 최적의 개스킷 밀폐압 조건을 설정하기 위해 다구찌 기법을 사용한 강건모델을 구현하였다.
- 개스킷 상에서의 응력평균의 경우 볼트 크기 (B)인자가 가장 개스킷 밀폐력에 유의함을 나타낸다. 평균응력을 분산분석하여 각인자의 제곱합(SS)을 계산하고, 제곱합을 이용하여 밀폐력에 영향을 미치는 정도인 기여율(contribution rate)을 계산한다. 볼트크기인 (B)인자가 87.
- 3과 같이 고정시켰다. 헤드와 개스킷에는 미세한 미끄러짐을 고려하여 small sliding 접촉 조건을 사용하였고, 개스킷과 블록에는 시뮬레이션 실행시간을 단축하기 위하여 타이접촉조건(tie contact)을 부여하였다. 온도장 분포를 계산하기 위한 열전달 해석 경계조건은 연소 개스, 냉각수, 오일과 접촉하는 면상에 열전달 계수와 주위온도를 정의하였다.
대상 데이터
- 엔진 블록 부분은 C3D4 사면체요소를 사용하고 블록의 실린더와 상단 면을 제외한 나머지 부분은 요소망 크기를 점차적으로 증가시켜 모델링하였다. 개스킷의 경우 ABAQUS사에서 제공하는 8절점 육면체 개스킷요소(GK3D8N)를 사용하였다. 또한 개스킷은 비드부와 바디부를 분리하여 모델링하였으며 개스킷과 엔진헤드의 접촉부에서는 헤드와 개스킷 서로간의 절점위치를 최대한 동일하게 생성하였다.
- 본 연구에 사용된 유한요소 모델은 엔진헤드, 엔진블록, 헤드볼트, 개스킷으로 구성되며, 전처리기인 Hypermesh를 사용하여 생성하였다(Fig. 1). 해석에 사용된 요소의 종류는 Table 1에 정리하였다.
- 사용된 엔진은 엔진 헤드, 엔진 블록, 헤드 볼트, 밸브시트, 밸브가이드, 헤드 개스킷으로 구성된 3기통 직렬 가솔린 엔진이다. 열 경계조건을 사용한 열전달 해석, 열전달 해석 결과를 이용한 열/기계응력 해석을 수행하였고 개스킷 면압을 계산하여 강건 개스킷 설계에 유의한 인자 분석과 영향에 대한 연구를 진행하였다.
- 또한 개스킷은 비드부와 바디부를 분리하여 모델링하였으며 개스킷과 엔진헤드의 접촉부에서는 헤드와 개스킷 서로간의 절점위치를 최대한 동일하게 생성하였다. 사용된 재료의 재질과 기계적 물성치는 다음 Table 2와 같으며, 개스킷의 비선형성을 고려한 유한요소해석을 위해 Fig. 2와 같은 비선형 특성 곡선의 데이터를 사용하였다. 엔진 어셈블리 전체 모델은 약 800,000여개의 절점과 약 730,000개의 요소로 구성하였다.
- 2와 같은 비선형 특성 곡선의 데이터를 사용하였다. 엔진 어셈블리 전체 모델은 약 800,000여개의 절점과 약 730,000개의 요소로 구성하였다.
- 엔진 어셈블리 모델의 설계 변동이 가능한 제어인자(control factor)와 제어가 어려운잡음인자(noise factor)로 나누어 각각 알맞은 인자를 결정하였다. 제어인자는 제어인자 값이 변하였을 때 개스킷 밀폐압에 영향을 끼치는 헤드 볼트 길이와 볼트 크기 그리고 개스킷의 비드부의 두께로 총 3종류의 인자를 선택하였고, 제어가 어려운 잡음인자는 헤드볼트하중을 선택하였다.
데이터처리
- 유한요소모델 구성, 해석 솔버, 실험계획을 처리하기 위하여 전처리기인 Hypermesh, 유한요소해석 상용프로그램 ABAQUS7), 통계 사용프로그램은 MINITAB8)을 사용하였다.
이론/모형
- 본 연구는 엔진 구동시 개스킷 밀폐압에 영향을 미치는 인자에 대한 밀폐압 상향 및 유지 등의 조건을 다구찌 기법을 사용하여 평가하였다. 제어인자와 잡음인자를 선정하여 직교배열표를 구성하였고 총 18번의 해석을 수행 하였다.
- 제어가 어려운 엔진작동 환경에서 강건 설계 조건을 만족하는 개스킷 설계조건을 다꾸지 기법을 이용하여 해석하였다. 설계변경 가능한 볼트의 길이, 볼트의 크기, 비드의 두께를 A, B, C인자로 선택하였고 이를 3수준 내측배열로 설정하였다.
- 접촉 조건에 적합한 8절점 육면체 요소인 C3D8요소를 사용하여 모델링을 하였으며, 밸브 시트(valve seat)와 밸브 가이드(valve guide)도 포함하여 모델링을 하였다. 헤드 볼트 체결력은 ABAQUS의 pre-tension 기능을 사용하여 적용하였다. 엔진 블록 부분은 C3D4 사면체요소를 사용하고 블록의 실린더와 상단 면을 제외한 나머지 부분은 요소망 크기를 점차적으로 증가시켜 모델링하였다.
성능/효과
- 1) 엔진 어셈블리에 조립하중 작용 시에는 헤드볼트 근처에서만 응력이 집중 되었다.
- 2) 열하중이 적용된 엔진 어셈블리 모델은 온도가 상대적으로 높은 부분에서 열팽창에 의한 제약으로 인해서 높은 열응력이 나타났고, 흡기 보다 온도가 높은 배기 방향에서 열하중에 의한 더 큰 열팽창 변형이 발생하였다.
- 3) 개스킷 밀폐압은 열하중이 적용되었을 경우에 열팽창에 의하여 그렇지 않은 경우보다 증가하였으며 볼트 근처와 열팽창으로 인한 실린더 보어 브리지 부근에서 큰 밀폐압이 발생하였다.
- 4) 개스킷 비드부분의 밀폐압 결과를 다구찌 기법에 적용하였고, 볼트 크기와 비드 두께는 밀폐압에 대해 큰 유의함을 나타내었다.
- 5) 최적화된 모델의 밀폐압을 원주방향에 대하여 그래프로 나타내었을 때, 기본 모델보다 전 구간에서 밀폐압이 상승하였고 높은 밀폐압이 나타나는 범위 또한 증가하였다.
- 헤드볼트와 비드부 강건 설계로 인해 전구간 일정하게 밀폐압이 증가하는 경향을 보이며, 높은 밀폐압이 나타나는 헤드볼트 인근부에서 기본 모델은 63° ~ 78°범위에서 높은 밀폐압을 나타내며, 강건설계 모델을 사용한 경우에는 57° ~ 90°로 범위가 두 배 증가하였다. 즉 밀폐압의 크기가 단순 증가할 뿐만 아니라 높은 밀폐압이 나타나는 범위도 증가함을 보여주었다. 이 결과는 실린더 1, 2, 3 모든 영역에서 동일한 경향을 보인다.
- 배기 방향에서는 열응력의 영향을 받아 흡기 방향 보다 높은 밀폐압이 나타난다. 폭발하중시 밀폐압은 전체적으로 감소하지만, 기존 밀폐압 분포의 형태는 유지되었다.
- 헤드볼트와 비드부 강건 설계로 인해 전구간 일정하게 밀폐압이 증가하는 경향을 보이며, 높은 밀폐압이 나타나는 헤드볼트 인근부에서 기본 모델은 63° ~ 78°범위에서 높은 밀폐압을 나타내며, 강건설계 모델을 사용한 경우에는 57° ~ 90°로 범위가 두 배 증가하였다.
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