[논문]공압 액추에이터의 피스톤 틸팅에 관한 FSI 해석

장성철; 정원택; 박운재

doi:10.21289/ksic.2016.19.3.144

공압 액추에이터의 피스톤 틸팅에 관한 FSI 해석
FSI Analysis of Piston Tilting for Pneumatic Actuator 원문보기

한국산업융합학회 논문집 = Journal of the Korean Society of Industry Convergence, v.19 no.3, 2016년, pp.144 - 153

장성철 (한국폴리텍IV대학 기계시스템과) , 정원택 (한국폴리텍IV대학 기계시스템과) , 박운재 (한국폴리텍VII대학 메카트로닉스과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this research performed on a pneumatic actuator, the air flow entering and exiting the cylinder, and the motion and deformation characteristics of the piston during operation of the actuator, were predicted. This was carried out by utilizing an FSI(Fluid-Structural Interaction) analysis technique that incorporates principles in computational fluid dynamics and structural stress analysis, and potential performance degradation factors were examined. Analysis results indicated that performance improvements could be made through design modifications. These include adding an inlet and outlet on the upper and lower sections of the cylinder in the conventional model, and increasing the number of sites for piston guide bars from three to four.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 이러한 액추에이터의 작동과정 중에 실린더 내부로 유입·유출되는 공기의 유동흐름과 피스톤의 운동 및 변형특성을 전산유체해석과 구조응력해석이 연성된 FSI 해석기법을 활용하여 액추에이터 내부에서 발생하는 피스톤 틸팅을 예측하고, 발생 가능한 성능저하 요인들을 검토하여 설계변경에 반영하고자 한다.

가설 설정

이러한 현상을 구현하기 위해 이동격자를 이용한 과도해석을 수행하였다. 액추에이터의 행정길이는 1m이고, 행정 시간을 1초로 가정하였다. 즉 한번 왕복 운동하는 경우 행정길이는 2m에 2초가 걸린다.
5초로 설정하였다. 입구조건은 압축기에서 공급되는 공압 8Bar로 설정하였고, 출구조건은 대기압 상태로 가정하였다.

제안 방법

우선 Fig. 1에 도시한 흡입구를 통해 유입되는 공압으로 인한 실린더 상부와 하부 공간에서의 유동흐름을 검토하고, 실린더 내부 벽면들에 작용하는 압력분포를 확보하기 위하여 전산유체해석을 수행하였다. 이러한 CFD 해석으로부터 확보된 실린더 내벽에 작용하는 압력분포 값들을 실린더 변형거동특성 분석을 위한 구조해석의 입력하중 값으로 사용하였다.
본 연구에서는 Fig. 2(a)에서와 같이 8bar의 압축공기가 흡입구를 통해 실린더 상부공간에 유입되어 피스톤을 아랫방향으로 팽창시키고, 반면에 하부공간의 공기는 압축되어 배출구를 통해 유출되는 열림행정 운동만을 분석하였다. 이러한 현상을 구현하기 위해 이동격자를 이용한 과도해석을 수행하였다.
20만 토크용 공압식 대형 액추에이터의 동작에 따른 실린더 내부에서의 유동흐름을 분석하고, 공압에 의한 실린더 구조부재의 변형거동 양상을 예측하고자 한다. 이와 같이 실린더 내부로의 공기 유·출입에 의한 복합적인 3차원 유동패턴과 피스톤을 기준으로 상부와 하부내벽에 작용하는 압력으로 인한 실린더의 변형거동 특성에 관한 유체-구조 간 상호작용을 분석하기 위하여 서로 다른 물리계가 연계된 연성해석 접근법을 활용하였다.
CFD 해석결과에서 언급된 피스톤의 상·하측 표면들에 작용하는 면압들을 파악하여 구조해석을 위한 입력 하중 값으로 활용하여 피스톤의 기울어짐 정도와 응력분포상태를 확인하고자 한다.
Fig. 9와 Fig. 10에서의 결과로부터 8bar의 공압이 실린더 내부공간에 작용하는 초기시점에 피스톤 상·하측 표면에 작용하는 면압 차이가 더 크고, 상측 표면에서의 압력분포도가 더 불균일한 것으로 수치해석 결과 값이 도출됨에 따라 0.1sec 시점에서의 변형거동 특성만을 구조해석을 통해 분석하고자 한다.
본 연구에서는 액추에이터의 작동과정 중에 실린더 내부로 유입·유출되는 공기의 유동흐름과 피스톤의 운동 및 변형특성을 FSI 해석기법을 활용하여 액추에이터 내부에서 발생하는 피스톤 틸팅을 예측하고, 발생 가능한 성능저하 요인들을 검토하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
3에 나타내었다. 이러한 단방향 FSI 기법을 이용하여 공압식 대형 액추에이터의 실제 작동상태를 수치해석 함으로써 실린더 내부공기 유동흐름 상태를 예측하고, 실린더의 구조 변형거동 특성을 파악하여 피스톤의 틸팅현상 발생가능성 여부 및 가이드 바의 설계 적절성을 평가하고자 한다.
각 시점에서의 압력분포는 일정하게 나타났으며, 피스톤이 하부 방향으로 이동함에 따라 그 면압이 점진적으로 감소하고 있음을 알 수 있다. 이와 같이 피스톤의 상측 표면에 작용하는 불균일한 압력분포도와 상·하 표면 간의 면압 차이에 따라 피스톤이 구조변형을 일으켜 틸팅현상이 발생할 것으로 예상되며, 이러한 피스톤의 응답변형거동 특성을 구조해석을 통해 분석하고자 한다.
그러나 산업현장의 자동화 라인에서 많이 사용되는 공압식 액추에이터의 피스톤 틸팅에 관한 연구는 찾아보기 어렵다. 자동밸브에 가장 많이 사용되는 액추에이터로서 다른 액추에이터에 비하여 구조가 간단하고 고장률이 낮고 작동속도가 빠르며 전기가 필요 없어 가스폭발 등에 안전한 특징을 가지고 있는 공압식 액추에이터를 다루고자 한다.

대상 데이터

Fig. 4의 20만 토크용 공압식 대형 액추에이터 구조물에서 실린더 부분만을 해석대상으로 고려하였다.

데이터처리

본 연구에서는 k-ω의 난류모델을 사용하여 20만-토크용 공압식 대형 액추에이터의 실린더 내부 유동흐름상태와 실린더 내벽에 작용하는 압력분포도를 계산하기 위해 상용수치해석 프로그램인 CFX 15.0을 사용하였다. 난류유동은 복잡한 와동이 발생하게 되는데 이러한 와동의 크기는 매우 작은 것까지 있기 때문에 난류유동을 직접적으로 수치해석하기에는 한계가 있다.
즉각 시점에서의 압력분포도는 일정하게 나타났으며, 열림행정 과정 중에 그 면압이 점진적으로 감소하는 경향이 나타났고, 상부 압력분포도와 동일하게 좌우대칭 양상을 보였다. 이러한 피스톤의 상·하측 표면들에 작용하는 압력 값들을 구조해석을 위한 입력하중 값으로 활용하여 설계 변경된 실린더의 변형거동 특성을 분석하였다.
2(a)에서와 같이 8bar의 압축공기가 흡입구를 통해 실린더 상부공간에 유입되어 피스톤을 아랫방향으로 팽창시키고, 반면에 하부공간의 공기는 압축되어 배출구를 통해 유출되는 열림행정 운동만을 분석하였다. 이러한 현상을 구현하기 위해 이동격자를 이용한 과도해석을 수행하였다. 액추에이터의 행정길이는 1m이고, 행정 시간을 1초로 가정하였다.

이론/모형

본 연구에서는 단방향해석방법을 활용하였다. 즉 CFD 해석으로부터 유동장을 계산하고, 실린더 내부 표면에서의 압력 값들을 추출하여 구조해석을 위한 하중 값으로 인가하였다.
따라서 난류모델을 적용하여 이러한 와동을 묘사하는 방법을 이용한다. 본 연구에서는 실린더의 흡입구와 배출구로 부터 유입, 유출되는 공기의 난류유동을 묘사하기 위해 Lanunder와 Spalding의 표준 k - ε 모델을 사용하였다.
유체유동현상을 묘사하기 위한 지배미분방정식들을 이산화하기 위해 유한체적법에 기초하여 격자망을 생성하였다.
20만 토크용 공압식 대형 액추에이터의 동작에 따른 실린더 내부에서의 유동흐름을 분석하고, 공압에 의한 실린더 구조부재의 변형거동 양상을 예측하고자 한다. 이와 같이 실린더 내부로의 공기 유·출입에 의한 복합적인 3차원 유동패턴과 피스톤을 기준으로 상부와 하부내벽에 작용하는 압력으로 인한 실린더의 변형거동 특성에 관한 유체-구조 간 상호작용을 분석하기 위하여 서로 다른 물리계가 연계된 연성해석 접근법을 활용하였다. 즉 유동-구조 문제가 서로 연관된 FSI 수치해석기법을 활용하였다.
이와 같이 실린더 내부로의 공기 유·출입에 의한 복합적인 3차원 유동패턴과 피스톤을 기준으로 상부와 하부내벽에 작용하는 압력으로 인한 실린더의 변형거동 특성에 관한 유체-구조 간 상호작용을 분석하기 위하여 서로 다른 물리계가 연계된 연성해석 접근법을 활용하였다. 즉 유동-구조 문제가 서로 연관된 FSI 수치해석기법을 활용하였다.

성능/효과

1. 유동해석 결과 액추에이터 흡입구의 수직 투영면에서 가장 큰 유동압력이 작용하고 있으며, 하측 표면에서 최소 유동압력이 균일하게 작용하고 있는 것을 알 수 있었다.
3. 설계 변경된 피스톤에 대한 해석결과 등가응력과 변위응답 값들의 분포는 거의 축대칭 분포에 가깝고, 기존 모델과 비교하면 피스톤의 중심점을 기준으로 반경방향으로의 처짐량이, 타원모양의 분포 양상이 나타남을 확인할 수 있다.

후속연구

2. 구조해석 결과 액추에이터의 열림행정과 닫힘행정의 운동과정 중에 피스톤이 기울어지는 틸팅현상은 발생하지 않을 것으로 예측되며, 피스톤 틸팅에 따른 실린더 내벽 손상 등을 차단할 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	밸브란 무엇인가?	배관요소에서 유체의 유량, 압력, 방향, 온도 등을 제어하기 위한 목적으로 유체의 통로를 열거나 닫도록 하는 기계장치를 밸브라 한다. 또한 사용 에너지원으로부터 동력을 공급받아 기계적인 힘, 토크, 변위 등으로 변환하여 부하를 구동할 목적으로 사용하는 기기를 액추에이터라고 부른다.
	액추에이터를 사용동력에 따라서 분류하시오.	이러한 액추에이터는 사용동력에 따라서 크게 전동식 액추에이터와 공압식 액추에이터 및 유압식 액추에이터 등으로 분류할 수 있다.
	공압식 액추에이터는 어떠한 원리로 작동하는가?	1에 나타낸 바와 같이 복동 왕복형으로 실린더 부, 하우징 부, 스프링 부 등으로 구성되어 있다. 공기가 흡입구(Port A)를 통해 실린더 내부로 공급되면 Fig. 2(a)와 같이 공압에 의해 피스톤이 열림행정을 하게 되고, 반대로 압축된 실린더 내부의 공압이 감소하게 되면 열림시에 압축된 스프링의 탄성력에 의해 Fig. 2(b)와 같이 초기상태로 복원하는 닫힘 운동을 하게 된다. 이러한 피스톤의 상·하 운동을 원활히 할 수 있도록 지지하고, 피스톤의 틸팅현상에 의한 실린더 내벽 손상을 최소화 하기위해 피스톤 가이드 바가 Fig.

참고문헌 (4)

K. Keller, "Low cost, high performance, high volume heatsinks", in Proc. Electronics Manufacturing Technology Symposium, pp. 113-118, 1998.
S. Narasimhan and J. Majdalani, "Characteriza-tion of compact heat sink models in natural convection", IEEE Trans. Components and Packaging Technologies, vol. 25, Issue 1, pp. 78-86, March 2002.

상세보기
S. P. Watson and B. G. Sammakia, "The thermal performance of a chip scale package array with simple block and plate heat sinks", in Proc. Thermal and Thermomechanical Phenomena in Electronic Systems Conf, pp. 276284, 2002.
Jang, S. C., Han, S. M., Lee, C. K., & Jung H. C., "FSI Analysis of Pneumatic Actuator", KSPSE Spring Conference, pp.81-83, 2016.

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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