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문제 정의
- 저주기 피로시험은 정격압력이 해지는 조건에서 기계적응력과 열응력에 의해서 발생되는 최대응력을 견디는지 확인하기 위한 시험이다. 본 연구에서는 두 가지 성형방법으로 제작된 벨로우즈에 대하여 저주기 피로시험을 진행하였다. 저주기 피로시험 전, 변위를 아주 적게 하면서 정밀하게 하중과 변형률을 측정하는 정적시험을 실시하였으며, 변위를 동일하게 하여 3번 반복 시험 후 평균값을 구하였다.
제안 방법
- 피로시험 중 저주기 피로시험을 통해 벨로우즈의 수명에 대해 성능을 평가하였다. MTS 구조시험장비와 TMR-211(40CH) 멀티 레코더장비를 사용하여 저주기 피로시험을 실시하였다. 하중을 가해주는 유압시스템의 유압정격은 벨로우즈에 가하는 하중을 계산하여 500 kN 이상이 되도록 하였다.
- Mechanical 성형방법과 hydrualic 성형방법으로 제작한 LNG 선박용 벨로우즈에 인장과 압축의 정적인 변위를 가하여 저주기 피로시험을 실시하였다. 사이클 수는 8,000회를 실시하였고, 각각의 벨로우즈 산에 걸리는 변형률을 측정하여 응력을 계산한 결과 다음과 같은 결론에 도달하였다.
- 저주기 피로시험 전, 변위를 아주 적게 하면서 정밀하게 하중과 변형률을 측정하는 정적시험을 실시하였으며, 변위를 동일하게 하여 3번 반복 시험 후 평균값을 구하였다. 그리고 저주기 피로 시험 전과 후의 최대인장과 최대압축 변위에서 변형률을 비교하였다[8]-[11].
- 벨로우즈 성형법 중 hydraulic 방법과 mechanical 방법이 가장 효율적이므로 일반적으로 많이 사용되고 있다. 따라서 본 연구에서도 두 가지 성형방법으로 벨로우즈를 제작하여 LNG 선박용 벨로우즈의 규정된 수명 사이클인 8,000회의 피로시험을 실시하였으며, 시험 전후의 벨로우즈의 각 산에 걸리는 변형과 응력을 측정하였다. 성형방법에 따른 벨로우즈간의 차이를 분석하였으며 응력분포 또한 조사하였다.
- 하중을 가해주는 유압시스템의 유압정격은 벨로우즈에 가하는 하중을 계산하여 500 kN 이상이 되도록 하였다. 또한 벨로우즈의 스프링상수와 변형률 및 응력 측정을 위해 스트레인게이지를 사용하였다. 실험에 사용된 스트레인게이지의 길이는 5 mm이였으며, 6개 채널을 사용하였다.
- 벨로우즈는 “U”자 형상으로 제작되었고, 벨로우즈에 인장이나 압축과 같은 외부 하중을 받지 않는 상태인 자유장을 380.0 mm로 설계하였다.
- 3 Hz로 정하였다. 벨로우즈는 일반적으로 변위를 기준으로 설계되기 때문에 본 시험 또한 변위제어로 시험을 실시하였다. Figure 1에서와 같이 벨로우즈의 하단 플래지면을 고정시키고 상부 플랜지면을 상하로 변위시키면서 인장과 압축을 실시하였다.
- 벨로우즈는 크게 두 부분, 플랜지와 벨로우즈로 나눌 수 있으며, 플랜지는 양쪽에서 파이프와 벨로우즈를 연결하고, 벨로우즈에서는 온도와 진동 등에 의한 수축과 팽창이 발생한다. 벨로우즈는 형태에 따라 사각형과 원통형으로 나누어지며, 보강여부에 따라 보강된 벨로우즈와 보강되지 않는 벨로우즈로 나눌 수 있는데(있을 때), 본 연구에서는 시제품을 보강되지 않는 벨로우즈로 제작하였다. Table 1에 나타내듯이, 시험시료는 두께가 0.
- 벨로우즈를 hydraulic 성형방법으로 제작하여 전과 동일한 방식으로 저주기 피로시험을 진행하였다. 저주기 피로시험 전 정적시험을 실시하여 변형률을 측정하였으며, 저주기 피로시험 전과 후의 최대인장과 최대압축에서의 변형률을 비교하였다.
- 벨로우즈에서 저주기 피로시험은 사이클 시험을 통하여 실시하며, LNG 선박용 성형 벨로우즈 규격 수명과 동일한 8,000회를 기준으로 벨로우즈 작동 조건과 동일한 환경에서 시험을 실시하여 제품의 내구성을 평가하였다. 그러므로 사이클 시험은 최대 설계조건과 동일해야 하며, 대부분 정상 작동조건보다 30 % 정도의 설계여유를 가진다.
- 따라서 본 연구에서도 두 가지 성형방법으로 벨로우즈를 제작하여 LNG 선박용 벨로우즈의 규정된 수명 사이클인 8,000회의 피로시험을 실시하였으며, 시험 전후의 벨로우즈의 각 산에 걸리는 변형과 응력을 측정하였다. 성형방법에 따른 벨로우즈간의 차이를 분석하였으며 응력분포 또한 조사하였다. 저주기 피로시험은 x-y방향의 변위가 가능한 유압시스템의 구조시험장비에 성형벨로우즈를 장착하고 벨로우즈의 각 산에는 스트레인게이지를 설치하여 멀티레코더를 통하여 데이터를 처리하였다.
- 스트레인게이지는 Figure 1의 (a), (b), (c)와 같이 벨로우즈 시제품의 1, 3, 5, 6, 8, 10 산 상부에 수직방향으로 장착하였다. 유한요소해석의 결과에 의하면 산의 양측 가장자리 응력이 가장 낮게 나타나므로 시험 측정값과 일치하는지 확인하였다. 그리고 1∼6까지 순서대로 채널을 지정한 후, 레코더(recorder)에 연결하여 데이터를 수집하였다.
- 저주기 피로시험은 x-y방향의 변위가 가능한 유압시스템의 구조시험장비에 성형벨로우즈를 장착하고 벨로우즈의 각 산에는 스트레인게이지를 설치하여 멀티레코더를 통하여 데이터를 처리하였다. 이를 통하여 벨로우즈의 성형방법에 따른 수명 차이가 발생하는지 조사하였으며, 발생 원인을 분석하였다[6][7].
- 0 mm까지 변위에 따른 응력을 나타낸다. 인장과 압축시의 변형률에 재료의 탄성계수(E) 195 GPa을 곱하여 1~6 채널별 응력을 계산하였다. 변위가 ±30.
- 벨로우즈를 hydraulic 성형방법으로 제작하여 전과 동일한 방식으로 저주기 피로시험을 진행하였다. 저주기 피로시험 전 정적시험을 실시하여 변형률을 측정하였으며, 저주기 피로시험 전과 후의 최대인장과 최대압축에서의 변형률을 비교하였다.
- 본 연구에서는 두 가지 성형방법으로 제작된 벨로우즈에 대하여 저주기 피로시험을 진행하였다. 저주기 피로시험 전, 변위를 아주 적게 하면서 정밀하게 하중과 변형률을 측정하는 정적시험을 실시하였으며, 변위를 동일하게 하여 3번 반복 시험 후 평균값을 구하였다. 그리고 저주기 피로 시험 전과 후의 최대인장과 최대압축 변위에서 변형률을 비교하였다[8]-[11].
- 성형방법에 따른 벨로우즈간의 차이를 분석하였으며 응력분포 또한 조사하였다. 저주기 피로시험은 x-y방향의 변위가 가능한 유압시스템의 구조시험장비에 성형벨로우즈를 장착하고 벨로우즈의 각 산에는 스트레인게이지를 설치하여 멀티레코더를 통하여 데이터를 처리하였다. 이를 통하여 벨로우즈의 성형방법에 따른 수명 차이가 발생하는지 조사하였으며, 발생 원인을 분석하였다[6][7].
- 피로시험 중 저주기 피로시험을 통해 벨로우즈의 수명에 대해 성능을 평가하였다. MTS 구조시험장비와 TMR-211(40CH) 멀티 레코더장비를 사용하여 저주기 피로시험을 실시하였다.
대상 데이터
- 벨로우즈는 형태에 따라 사각형과 원통형으로 나누어지며, 보강여부에 따라 보강된 벨로우즈와 보강되지 않는 벨로우즈로 나눌 수 있는데(있을 때), 본 연구에서는 시제품을 보강되지 않는 벨로우즈로 제작하였다. Table 1에 나타내듯이, 시험시료는 두께가 0.8mm인 STS316L 박판을 두 겹으로 겹쳐 사용하였으며 산의 수는 총 10개, 산의 높이는 10.0 mm, 산의 피치는 28.0 mm로 설계하였다. 벨로우즈는 “U”자 형상으로 제작되었고, 벨로우즈에 인장이나 압축과 같은 외부 하중을 받지 않는 상태인 자유장을 380.
- 그리고 1∼6까지 순서대로 채널을 지정한 후, 레코더(recorder)에 연결하여 데이터를 수집하였다.
- 또한 벨로우즈의 스프링상수와 변형률 및 응력 측정을 위해 스트레인게이지를 사용하였다. 실험에 사용된 스트레인게이지의 길이는 5 mm이였으며, 6개 채널을 사용하였다. 하중을 부과하는 장치는 유압파워장치와 유압파워 매니폴더로 구성되었다.
이론/모형
- 벨로우즈 시제품은 mechanical 성형방법과 hydraulic 성형방법으로 제작하였다. 벨로우즈는 크게 두 부분, 플랜지와 벨로우즈로 나눌 수 있으며, 플랜지는 양쪽에서 파이프와 벨로우즈를 연결하고, 벨로우즈에서는 온도와 진동 등에 의한 수축과 팽창이 발생한다.
성능/효과
- 1) 기계적 성형방법으로 제작된 벨로우즈에 대하여 저주기 피로 시험 전 변위를 ±26.5 mm에서 ±34.0 mm까지 변화시켜 정적시험을 실시한 결과, 30.85 mm의 변위에서 첫 번째 산(채널 1번)의 응력이 가장 작았으며, 세 번째 산(채널 3번)에서 응력이 가장 높았다.
- 2) Hydraulic 성형방법으로 제작된 벨로우즈에 대하여 전과 동일한 방식으로 정전시험을 실시했을 때, 채널별 응력 차이는 mechanical 성형방법에 비해 크지 않았다. 저주기 피로시험 후 제품에서는 파손이 발생하지 않았다.
- 3) 변위 30.85 mm에서 기계식 인장과 압축의 합산 평균 응력은 763.0 MPa이고, 유압식 합산응력은 791.3 MPa으로 유압식 채널의 응력이 더 높았다. 따라서 hydraulic 성형 벨로우즈가 기계식 벨로우즈에 비하여 수명이 불리하다는 것을 알 수 있었다.
- 4) 저주기 피로시험 후 벨로우즈 제작방법에 따른 하중 및 스프링 상수를 비교했을 때, 히스테리시스 곡선을 확인할 수 있었다. Hydraulic 성형방법이 변위에 따른 하중의 값의 히스테리시스 곡선면적이 더 넓었으며, 이는 히스테리시스 손실이 더 큰 것을 나타내었다.
- 5) 결론적으로 성형방법에 따라 성형 벨로우즈의 중요한 특성인 스프링상수와 피로수명에 많은 영향을 미치고, 이를 통하여 보다 더 개선된 단계적 mechanical 성형방법을LNG 선박용 성형 벨로우즈에 적용할 수 있었다.
- 4) 저주기 피로시험 후 벨로우즈 제작방법에 따른 하중 및 스프링 상수를 비교했을 때, 히스테리시스 곡선을 확인할 수 있었다. Hydraulic 성형방법이 변위에 따른 하중의 값의 히스테리시스 곡선면적이 더 넓었으며, 이는 히스테리시스 손실이 더 큰 것을 나타내었다. 따라서 매 싸이클 당 벨로우즈에 가해지는 데미지(damage)가 hydraulic에서 더 크다는 것을 알 수 있었다.
- 또한 탄성체인 벨로우즈에 탄성영역을 넘어선 힘을 가하여 소성영역에서 작동될 때, 전형적인 히스테리시스 곡선을 확인할 수 있었다. mechanical 및 hydraulic 방법 모두 인장의 스프링상수가 압축일 때보다 작았으며, 시험전후의 인장에는 스프링상수가 증가하였고, 압축에는 감소하는 경향을 보였다. 결론적으로 hydraulic 성형방법이 mechanical 성형방법에 비하여 변위에 따른 하중의 값의 히스테리시스 곡선면적이 더 넓었으며 히스테리시스 손실이 큰 것을 알수 있었다.
- mechanical 및 hydraulic 방법 모두 인장의 스프링상수가 압축일 때보다 작았으며, 시험전후의 인장에는 스프링상수가 증가하였고, 압축에는 감소하는 경향을 보였다. 결론적으로 hydraulic 성형방법이 mechanical 성형방법에 비하여 변위에 따른 하중의 값의 히스테리시스 곡선면적이 더 넓었으며 히스테리시스 손실이 큰 것을 알수 있었다. 히스테리시스 손실이 크다는 것은 소재에 가해지는 응력이 많다는 것을 의미하며 이는 수명에 불리함을 의미한다.
- 결론적으로 mechanical 성형방법으로 제작된 벨로우즈를 0∼±31.0 mm로 인장과 압축을 8,000회 저주기 피로시험을 진행했을 때, 파손된 부분이 발견되지 않았다.
- 그리고 hydraulic 성형방법으로 제작된 벨로우즈를 0∼±31.0 mm로 8,000회의 인장 및 압축 저주기 피로시험 결과, 파손된 부분이 발견되지 않았다.
- STS316L의 탄성계수 Ε는 상온(25 ℃)에서 195GPa이다. 따라서 Figure 3의 응력을 분석한 결과, 인장과 압축 응력 합계는 30.85 mm의 변위에서 채널 1번의 값이 591.2 MPa로 가장 적었으며, 채널 3, 5번의 값이 879.4 MPa과 853.3 MPa로 높게 나타났고, 30.85 mm의 변위에서 채널3번이 가장 큰 응력을 받는 것을 확인할 수 있었다. 또한 기계적 성형방법으로 제작된 벨로우즈는 채널별 변형률 및 응력에서 큰 차이가 발생하는 것을 알 수 있었다.
- 3 MPa으로 유압식 채널의 응력이 더 높았다. 따라서 hydraulic 성형 벨로우즈가 기계식 벨로우즈에 비하여 수명이 불리하다는 것을 알 수 있었다.
- Hydraulic 성형방법이 변위에 따른 하중의 값의 히스테리시스 곡선면적이 더 넓었으며, 이는 히스테리시스 손실이 더 큰 것을 나타내었다. 따라서 매 싸이클 당 벨로우즈에 가해지는 데미지(damage)가 hydraulic에서 더 크다는 것을 알 수 있었다.
- 85 mm의 변위에서 채널3번이 가장 큰 응력을 받는 것을 확인할 수 있었다. 또한 기계적 성형방법으로 제작된 벨로우즈는 채널별 변형률 및 응력에서 큰 차이가 발생하는 것을 알 수 있었다. mechanical 성형방법의 경우, 벨로우즈의 산을 하나씩 제작하므로 제작방법에 따른 산의 높이와 두께의 차이에 기인한 것으로 사료된다.
- 또한 탄성체인 벨로우즈에 탄성영역을 넘어선 힘을 가하여 소성영역에서 작동될 때, 전형적인 히스테리시스 곡선을 확인할 수 있었다. mechanical 및 hydraulic 방법 모두 인장의 스프링상수가 압축일 때보다 작았으며, 시험전후의 인장에는 스프링상수가 증가하였고, 압축에는 감소하는 경향을 보였다.
- 변위가 ±30.85 mm에서 인장과 압축의 응력의 합계는 채널 1번과 채널 6번이 772.1 MPa과 769.2 MPa인데 반하여 채널 2번의 합계응력은 817.6 MPa로 가장 높았다.
- 85 mm의 변위에서 첫 번째 산(채널 1번)의 응력이 가장 작았으며, 세 번째 산(채널 3번)에서 응력이 가장 높았다. 저주기 피로시험후의 제품을 살펴본 결과 파손된 부분은 발견되지 않았으며, 변형률과 응력의 채널별 거동은 비슷하였다.
- 1 %이였다. 즉, EJMA 9판 간편식으로 계산한 값은 mechanical 성형법으로 제작된 벨로우즈보다 약 25 %의 설계여유를 갖는 것을 알 수 있었기에 EJMA 간편식으로 계산한 설계출력은 사용하기에 적합한 것으로 판단되었다.
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