[논문]유한요소해석을 이용한 이물질이 고무 오링에 미치는 영향과 성능 평가

백인석; 이희장; 이석순

doi:10.20910/jase.2016.10.3.52

유한요소해석을 이용한 이물질이 고무 오링에 미치는 영향과 성능 평가
Study on the performance of elastomeric O-ring subjected to foreign objects using finite-element analysis 원문보기

항공우주시스템공학회지 = Journal of aerospace system engineering, v.10 no.3, 2016년, pp.52 - 58

백인석 (경상대학교 기계공학과) , 이희장 (씰링크 주식회사) , 이석순 (경상대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The elastomeric O-ring is the most-commonly-used seal due to its excellent sealing capacity, and its availability in various costs and sizes; furthermore, its importance has lasted over a long duration. However, a dearth of research exists in Korea regarding the elastomeric O-ring and the corresponding techniques. The constituent parts of elastomeric rubber are important; to determine their properties, the uni-axial tension and equi-biaxial tension need to be tested. Also, the non-linear analysis method reduces the design cost. An O-ring failure causes leaks and vibration. In this paper, foreign objects are used to affect an O-ring and its performance so that all angles of the O-ring design can be considered. This paper presents a solution for the O-ring-failure problem using a finite-element analysis.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 내압 150 bar 의 압력보다 큰 접촉응력이 발생하면 오링의 성능을 만족하는 것이다. 그리고 이물질이 오링에 미치는 영향과 구조물에 미치는 영향을 파악하는 것이다.[13,14]
본 연구에서는 내압 150 bar 의 압력보다 큰 접촉응력이 발생하면 오링의 성능을 만족하는 것이다. 그리고 이물질이 오링에 미치는 영향과 구조물에 미치는 영향을 파악하는 것이다.
본 연구에서는 조립 틈새의 변화와 이물질에 의한 작용 압력에 대한 최대 접촉 응력을 도출한다. Fig.

제안 방법

본 연구에서는 단 측벽 구속 하에서 압축 변형과 압력을 동시에 받는 오링 문제에 대하여 초탄성 유한요소해석을 비선형해석 전문 프로그램인 ABAQUS를 이용하여 수행하였다. 수행된 해석 방법과 결과를 토대로 조립틈새와 작용압력이 오링의 접촉 응력 분포에 미치는 영향을 상세하게 분석하여 고무 오링의 설계평가 기준으로 제시하였다.
7에서 오링의 설계 기준을 확인할 수 있다. 본 연구에서는 찌그러짐율을 약 20% 이하로 설정하고 충진율은 약 70%로 설정하였다. 총 6가지 경우이지만 간극에 따라 3경우로 나눠지므로 설계 인자 값은, 간극이 0.
본 연구에서는 단 측벽 구속 하에서 압축 변형과 압력을 동시에 받는 오링 문제에 대하여 초탄성 유한요소해석을 비선형해석 전문 프로그램인 ABAQUS를 이용하여 수행하였다. 수행된 해석 방법과 결과를 토대로 조립틈새와 작용압력이 오링의 접촉 응력 분포에 미치는 영향을 상세하게 분석하여 고무 오링의 설계평가 기준으로 제시하였다.[7,8,9]
오링에 맞춰서 구조물을 모델링하여 연구에 적용하였다. 역으로 한 이유는 구조물에 맞춰서 오링을 선택을 하게 된다면, 구조물과 오링의 모델링이 복잡해지므로, 최대한 간단한 모델을 적용하기 위해 오링을 기준으로 모델링 하였다. 설계 기준은 KS B 2799, JIS B 2406 규격에 의해 설계하였다.
구조물에 대해 오링을 선택하지 않았다. 오링에 맞춰서 구조물을 모델링하여 연구에 적용하였다. 역으로 한 이유는 구조물에 맞춰서 오링을 선택을 하게 된다면, 구조물과 오링의 모델링이 복잡해지므로, 최대한 간단한 모델을 적용하기 위해 오링을 기준으로 모델링 하였다.
10 mm 이다. 오링은 trelleborg사의 고무 오링을 참고하였고, 이물질은 머리카락 굵기를 기준으로 하여 원형의 이물질로 모델링 하였다. Fig.
해석 순서는 첫 번째로 오링의 장착이 되고 두 번째는 150 bar의 압력이 가해진다. 이물질이 들어가는 경우는 세 번째 단계가 들어가며 압력이 가해져 있는 오링과 실린더 사이로 침입하게 시뮬레이션 하였다. 이것은 실제적으로 일어나기 힘든 경우이지만 가장 극단적인 경우로 상황을 모사한 것이다.
7 % 이다. 초기 설계 인자 값에 충족하는 값으로 설계하였다.
아래의 실린더 벽에 홈이 파져 있고 홈 내부에 오링이 장착된다. 피스톤과 실린더가 모두 원통형으로 축대칭 형상이 되므로 내부 오링도 오링의 단면을 기준으로 한 축대칭 2차원 해석을 수행하였다. Fig.

대상 데이터

본 연구에서 사용되어진 오링은 sealink사의 ∅5.00 mm의 모델이다.
6에는 오링과 이물질의 요소망을 나타내었다. 사용된 유한요소격자의 수는 오링에 2342개, 절점 수는 2409개로 6가지 case 조건 모두 동일하다. 이물질에는 유한요소격자 1040개를 생성하였다.
사용된 유한요소격자의 수는 오링에 2342개, 절점 수는 2409개로 6가지 case 조건 모두 동일하다. 이물질에는 유한요소격자 1040개를 생성하였다. 실린더 및 피스톤은 고무 오링에 비하여 상대적으로 단단하므로 강체로 처리하였으며, 비선형 유한요소해석에 강점이 있는 ABAQUS를 해석 툴로 사용하였다.

데이터처리

이물질에는 유한요소격자 1040개를 생성하였다. 실린더 및 피스톤은 고무 오링에 비하여 상대적으로 단단하므로 강체로 처리하였으며, 비선형 유한요소해석에 강점이 있는 ABAQUS를 해석 툴로 사용하였다. 해석 순서는 첫 번째로 오링의 장착이 되고 두 번째는 150 bar의 압력이 가해진다.

이론/모형

본 연구에서는 이 단축인장 시험결과를 ABAQUS에 입력하여 Mooney-Rivlin 모델의 상수 값을 구하여 해석에 사용하였고 그 값은 Table 1에 나타내었다.
역으로 한 이유는 구조물에 맞춰서 오링을 선택을 하게 된다면, 구조물과 오링의 모델링이 복잡해지므로, 최대한 간단한 모델을 적용하기 위해 오링을 기준으로 모델링 하였다. 설계 기준은 KS B 2799, JIS B 2406 규격에 의해 설계하였다. Fig.

성능/효과

3가지 경우 전부 작용된 내압 150 bar 즉, 15 MPa 이상이 발생하므로 성능에 문제가 없는 것으로 판단된다. 간극이 작으면 접촉응력이 클 것 이라고 생각했지만, 해석 결과에서는 오히려 간극이 증가할수록 접촉응력이 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
또한오링에 발생하는 최대 접촉응력값은 약 100 MPa, 76 MPa, 40 MPa 이 발생하였다. 간극이 증가함에 따라 이물질과 구조물 사이에서 발생하는 응력이 감소하는 것을 확인 할 수 있었다. 그리고 발생한 응력은 오링에충분히 파손을 입힐 수 있는 것으로 판단된다.
본 연구에서는 찌그러짐율을 약 20% 이하로 설정하고 충진율은 약 70%로 설정하였다. 총 6가지 경우이지만 간극에 따라 3경우로 나눠지므로 설계 인자 값은, 간극이 0.25 일 때에 찌그러짐율은 15 %, 충진율은 68.9 % 이다. 간극이 0.

후속연구

현재 3D 모델링으로 오링 시일을 연구한 논문 자료나 연구 자료가 매우 부족하다. 연구자 본인은 3D 오링시일로서 연구를 하고 있으므로 차기 논문에서는 보다 신뢰성 있는 연구 논문으로 내용을 채울 수 있을 것이라 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	시일의 사용 목적은 무엇인가	이유는 저렴한 생산 방법과 사용의 용이성 때문이다. 시일의 가장 큰 사용 목적은 윤활유나 작동유체의 누설과 이물질이 기계내부로 침입하는 것을 방지하기 위함이다. 오링의 설계 오류가 초래되는 문제점의 예는 1986년 챌린저호의 폭발이 대표적이다.
	오링이 오늘날 가장 광범위하게 사용되는 시일인 이유는 무엇인가	Figure 1과 같은 오링은 오늘날 가장 광범위하게 사용되는 시일이다. 이유는 저렴한 생산 방법과 사용의 용이성 때문이다. 시일의 가장 큰 사용 목적은 윤활유나 작동유체의 누설과 이물질이 기계내부로 침입하는 것을 방지하기 위함이다.
	일반적으로 오링의기밀 성능은 무엇으로 평가되는가	Figure 2에서 확인할 수 있듯이 일반적으로 오링의기밀 성능은 최고 접촉 응력(Max. contact pressure)과 작용 압력(applied pressure)의 비에 의하여 평가되며, Leachy 등의 실험 결과에 의하면 작용 압력이 최고 접촉 응력보다 크면 오링에서 압력 누설이 발생한다고 보고되어있다. 접촉 응력은 오링의 압축 및 압력에 의해 발생되며 최고 접촉 응력의 크기는 압축률, 조립 틈새(clearance gap), 압력 등에 의존하는 것으로 알려져 있다.

참고문헌 (14)

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상세보기
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Day, J. R. and Miler, K. A., "Equibiaxial Steretching of Elastomeric Sheets, an Analytical Verification of an Experimental Technique," ABAQUS Users Conference Proceedings, pp. 205-219, 2000.
Rivlin, R. S., 1956, "Large Elastic Deformations in Rheology: Theory and Application," Academic Press, New York. Vol. 1.
Ogden, R. W., 1972, "Large Deformation Isotropic Elasticity-On the Correlation of Theory and Experiment for Incompressible Rubber-like Solids," Proceedings of Royal Society of London, Vol. A 326, pp. 565-584.
Kang, M. G., Tak. S. M., Park. D. J. and Lee. S. S. "The Study of Impact Analysis about Inertia Measure Unit of High Speed along Impact curve," Jounal of Aerospace System Engineering, Vol. 6, No. 4, pp. 29-33, December, 2012.
Kang, M. G., Park. D. J. and Lee. S. S. "The Study of Aerodynamic about High-speed projectiles using Fluid Structure Interaction analysis," Jounal of Aerospace System Engineering, Vol. 6, No. 4, pp. 7-11, December, 2012.

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