유한요소해석을 이용한 이물질이 고무오링과 구조물에 미치는 영향과 성능 연구 A Finite Element Analysis of Elastomeric O-ring Performance and Structure when subjected to Foreign Objects원문보기
유한요소해석을 이용하여 이물질이 고무 오링과 구조물에 미치는 영향과 성능을 연구했다. 오래전부터 2D 해석을 이용하여 초탄성 오링을 연구해왔다. 오링 설계 시, 접촉응력은 중요한 설계 요소이다. 접촉 응력이 가해진 압력보다 낮으면 누수, 진동, 소음, 출력 저하의 원인이 된다. 이 연구에서는 초탄성 오링을 2D와 3D로 해석하고 결과를 비교한다. 2D와 3D의 접촉 응력 결과는 거의 비슷하게 나타난다. 이물질이 있는 오링은 3D로 모델링해야하는데 모든 방향의 접촉 응력을 고려해야하기 때문이다. 3D 해석에서 간극을 달리하여 10가지 경우로 나누어 이물질이 오링과 구조물에 미치는 영향을 확인했다. 또한 접촉 응력이 가해진 압력보다 높은지 확인하였다. 따라서, 이물질이 포함된 오링은 3D 모델로 해석되어야하며 이러한 결과는 오링 설계에 포함된다.
유한요소해석을 이용하여 이물질이 고무 오링과 구조물에 미치는 영향과 성능을 연구했다. 오래전부터 2D 해석을 이용하여 초탄성 오링을 연구해왔다. 오링 설계 시, 접촉응력은 중요한 설계 요소이다. 접촉 응력이 가해진 압력보다 낮으면 누수, 진동, 소음, 출력 저하의 원인이 된다. 이 연구에서는 초탄성 오링을 2D와 3D로 해석하고 결과를 비교한다. 2D와 3D의 접촉 응력 결과는 거의 비슷하게 나타난다. 이물질이 있는 오링은 3D로 모델링해야하는데 모든 방향의 접촉 응력을 고려해야하기 때문이다. 3D 해석에서 간극을 달리하여 10가지 경우로 나누어 이물질이 오링과 구조물에 미치는 영향을 확인했다. 또한 접촉 응력이 가해진 압력보다 높은지 확인하였다. 따라서, 이물질이 포함된 오링은 3D 모델로 해석되어야하며 이러한 결과는 오링 설계에 포함된다.
Elastomeric o-ring performance and structure when subjected to a foreign object is studied using finite element analysis (FEA). Elastomeric o-rings have been studied using 2D analysis for a long time. Contact pressure is an important factor in o-ring design. When contact pressure is lower than appli...
Elastomeric o-ring performance and structure when subjected to a foreign object is studied using finite element analysis (FEA). Elastomeric o-rings have been studied using 2D analysis for a long time. Contact pressure is an important factor in o-ring design. When contact pressure is lower than applied pressure, leaking, vibration, and noise can occur; resulting in decreased output. In this study, we compared 2D and 3D analyses of elastomeric o-rings. Similar results were shown for 2D and 3D contact pressure. However, when an o-ring encounters foreign object matter, 3D analysis is required because contact pressure in every direction needs to be considered. We determined the influence of foreign matter on o-ring performance and structure by analyzing 10 cases with different clearances in a 3D model. Therefore, an o-ring encountering foreign object matter must be analyzed in 3D with the result included in the o-ring design.
Elastomeric o-ring performance and structure when subjected to a foreign object is studied using finite element analysis (FEA). Elastomeric o-rings have been studied using 2D analysis for a long time. Contact pressure is an important factor in o-ring design. When contact pressure is lower than applied pressure, leaking, vibration, and noise can occur; resulting in decreased output. In this study, we compared 2D and 3D analyses of elastomeric o-rings. Similar results were shown for 2D and 3D contact pressure. However, when an o-ring encounters foreign object matter, 3D analysis is required because contact pressure in every direction needs to be considered. We determined the influence of foreign matter on o-ring performance and structure by analyzing 10 cases with different clearances in a 3D model. Therefore, an o-ring encountering foreign object matter must be analyzed in 3D with the result included in the o-ring design.
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문제 정의
10가지 경우로 조립 틈새를 차이를 두어 해석의 신뢰성을 높이고자 하였다.
누설은 Leachy 등의 실험 결과에 따르면 작용 압력이 접촉 응력보다 크면 발생한다고 되어있다. 그리고 구조물에 미치는 영향은 발생하는 응력에 따른 파손 및 변형을 알아보고자 한다.[3-6]
본 논문에서는 2D, 3D 해석으로 단순 원형 오링의 밀봉 성능을 판단할 수 있으며 또한 이물질에 의한 오링, 구조물의 영향을 알 수 있다.
본 논문에서는 동일한 모델로 2D와 3D의 von Mises 응력과 접촉 응력 결과 값을 비교하고 3D 해석의 타당성을 검토한 뒤 이물질이 삽입되었을 오링의 성능과 구조물에 미치는 영향을 알아보았다.
본 논문에서는 이물질이 없는 경우로만 3D의 신뢰성을 확인하였다. 해석 결과의 오차는 미비하므로, 본 해석 기법을 사용한다면 오링 설계 시 오류를 줄일 수 있다고 사료된다.
그럼에도 씨일 연구의 대다수가 2D 해석을 이용하는 것은 시간적 비용 측면에서 저렴하기 때문일 것이다. 본 연구에서는 2D와 3D의 von Mises 응력과 접촉 응력(Contact pressure) 결과 차이를 검토하고 이물질이 성능에 미치는 영향을 알아보고자한다. 이 때, 성능은 누설 여부와 구조물에 미치는 응력이다.
이에 본 논문에서 초탄성체인 오링과 탄성체인 이물질, 탄성체 이물질과 탄성체 구조물, 초탄성체 오링과탄성체 구조물 사이의 접촉 문제를 간극 별로 나누어 연구하여 성능에 대해서 연구하였다.[9,10]
가설 설정
두 번째 3D해석의 경우 2D와 동일하다. 단, 두께는 1 mm이다.
제안 방법
그리고 von Mises 응력과 접촉 응력 값을 비교 검토한다. Fig. 4 에서 보듯이 2D와 3D 해석 시에는 Case 1-3으로 조립 틈새를 0.25, 0.5, 0.75 mm 3가지 경우를 비교하고, 마지막으로 이물질이 삽입이 된 3D해석 모델은 Case 1-10으로 조립 틈새 별 0.25, 0.4, 0.45, 0.475, 0.5, 0.525, 0.55, 0.575, 0.6, 0.75mm 로 10 가지 경우로 해석을 수행하였다. 상용프로그램인 ABAQUS로 해석을 수행하였다.
본 논문에서는 2D 해석이 선행되고 3D 해석을 수행한다. 그리고 von Mises 응력과 접촉 응력 값을 비교 검토한다. Fig.
이물질은 머리카락 굵기(100 μm)를 기준으로 하여 원형의 이물질로 모델링 하였다. 또한 고무 오링과 구조물들에 비하여 상대적으로 단단하므로 강체로 처리하였다.
본 논문에서는 2D 해석이 선행되고 3D 해석을 수행한다. 그리고 von Mises 응력과 접촉 응력 값을 비교 검토한다.
본 논문에서는 KS와 JIS규격을 참고하여 오링 선택과 간단하게 구조물을 설계하여 연구를 진행하였다.
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, JIS 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.
이물질은 머리카락 굵기(100 μm)를 기준으로 하여 원형의 이물질로 모델링 하였다.
지금까지의 연구들은 실제 현상과 차이를 두고 있지만, 본 논문에서는 현실과 가깝게 연구를 진행하였다. [7,8]
3D 해석은 모든 방향에서 응력들을 확인할 수 있으므로 2D보다 적합하다. 하지만 3D의 신뢰성이 확인되지 않았으므로 동일한 모델과 조건으로 결과를 비교하여 신뢰성을 확보하였다.
대상 데이터
2D의 해석에 사용된 오링의 요소 종류는 CPE4RH이며 808개로 생성하였다. 구조물 Cylinder와 Piston은 Rigid wire로 모델링 하였다.
마지막 이물질이 삽입된 3D의 해석에서 요소 종류는 전 해석과 동일하며, 개 수 차이가 난다. Cylinder에서 정확한 값을 얻기 위하여 이물질과 접촉이 되는 부분에 조밀하게 요소를 생성하였고 71,808개 이다. 오링 또한 요소 수가 증가하였고 32,895개 이다.
단, 두께는 1 mm이다. Cylinder의 요소 종류는 C3D8R이며 10,406개로 생성하였다. 오링의 요소 종류는 C3D8RH 이며 7,491개로 생성하였고, 접촉이 이루어지는 외경으로 유한요소격자를 조밀하게 생성하였다.
오링의 요소 종류는 C3D8RH 이며 7,491개로 생성하였고, 접촉이 이루어지는 외경으로 유한요소격자를 조밀하게 생성하였다. Piston의 요소 종류는 R3D4로 Rigid로 모델링 하였다.
본 연구에서 사용되어진 오링은 sealink사의 Ø5.00 mm 의 단면이 원형인 모델이다.
Cylinder의 요소 종류는 C3D8R이며 10,406개로 생성하였다. 오링의 요소 종류는 C3D8RH 이며 7,491개로 생성하였고, 접촉이 이루어지는 외경으로 유한요소격자를 조밀하게 생성하였다. Piston의 요소 종류는 R3D4로 Rigid로 모델링 하였다.
데이터처리
75mm 로 10 가지 경우로 해석을 수행하였다. 상용프로그램인 ABAQUS로 해석을 수행하였다. 이때, 2D의 경우는 ABAQUS 내의 억지끼워맞춤 해석 기법을 사용하였고, 3D는 강제 변위를 적용하여 해석 하였다.
이론/모형
본 연구에서는 이 단축인장 시험결과를 ABAQUS에 입력하여 Mooney-Rivlin 모델의 상수 값을 구하여 해석에 사용하였다.
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, JIS 규격에 의해 설계하였다. Fig.
상용프로그램인 ABAQUS로 해석을 수행하였다. 이때, 2D의 경우는 ABAQUS 내의 억지끼워맞춤 해석 기법을 사용하였고, 3D는 강제 변위를 적용하여 해석 하였다.
성능/효과
2D와 3D의 해석 결과 값의 오차율은 약 0.2%로 차이가 없는 것을 검토하였다. 3D 해석에서 간극은0.
본 논문 결과에서는 이물질이 구조물과 오링의 간극차이에도 누수 성능에 큰 영향을 미치지 않았다. 이러한 해석 방법을 사용한다면 오링 설계 시 많은 도움이 될 것이라고 판단된다.
이물질 3D해석의 결과 값은 Table 2, 3 에서 확인할 수 있다. 우선 Cylinder에서의 결과 값은 조립 틈새가 증가할수록 발생하는 응력과 변위가 감소하는 것을 확인할 수 있다. 하지만 이물질에 의한 접촉 응력은 Case 1에서 작은 응력과 Case 8에서 큰 응력이 발생하였다.
후속연구
본 논문 결과에서는 이물질이 구조물과 오링의 간극차이에도 누수 성능에 큰 영향을 미치지 않았다. 이러한 해석 방법을 사용한다면 오링 설계 시 많은 도움이 될 것이라고 판단된다.
해석 결과의 오차는 미비하므로, 본 해석 기법을 사용한다면 오링 설계 시 오류를 줄일 수 있다고 사료된다. 하지만 더욱 신뢰성을 높이기 위해 차기 연구에서는 이물질을 포함한 2D와 3D 해석을 비교하여 양질의 결과를 얻어 오링 설계에 반영하면 오링 설계에 많은 도움이 될 것이다.
본 논문에서는 이물질이 없는 경우로만 3D의 신뢰성을 확인하였다. 해석 결과의 오차는 미비하므로, 본 해석 기법을 사용한다면 오링 설계 시 오류를 줄일 수 있다고 사료된다. 하지만 더욱 신뢰성을 높이기 위해 차기 연구에서는 이물질을 포함한 2D와 3D 해석을 비교하여 양질의 결과를 얻어 오링 설계에 반영하면 오링 설계에 많은 도움이 될 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
씨일의 사용 목적은 무엇인가
Figure 1 과 같은 오링은 오늘날 가장 광범위하게 사용되는 씨일이다. 이러한 씨일의 가장 큰 사용 목적은 윤활유나 작동유체의 누설과 이물질이 기계내부로 침입하는 것을 방지하기 위함이고 오링의 모습을 Fig. 2 에서 확인할 수 있다.
누설은 어떠한 경우 발생하는가
누설은 Leachy 등의 실험 결과에 따르면 작용 압력이 접촉 응력보다 크면 발생한다고 되어있다. 그리고 구조물에 미치는 영향은 발생하는 응력에 따른 파손 및 변형을 알아보고자 한다.
2D 해석에서 이물질 삽입 결과의 신뢰성에 문제가 있는 이유는 무엇인가
2D 해석에서 이물질 삽입 결과는 신뢰성에 분명 문제가 있다. 그 이유는 이물질을 둘러싼 오링이나 구조물의 전 방향을 고려하지 못하기 때문이다
참고문헌 (19)
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