[논문]2중 실린더 구조를 갖는 인장 가스스프링의 마찰력 변화에 따른 피스톤 거동에 대한 연구

정남균

doi:10.5762/kais.2018.19.2.9

[국내논문] 2중 실린더 구조를 갖는 인장 가스스프링의 마찰력 변화에 따른 피스톤 거동에 대한 연구
A study on the behavior of the piston with varying friction force in the double cylinder-typed extension gas spring 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.19 no.2, 2018년, pp.9 - 14

초록
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가스스프링은 가스가 압축될 때 가지게 되는 압력을 스프링과 같이 사용하는 형태로, 광범위한 산업분야에 사용되고 있고 그 수요 또한 증가하고 있다. 이 가스스프링은 압축 스프링과 인장 스프링으로 나뉠 수 가 있는데, 압축 스프링과 달리인장 스프링의 경우는 피스톤 속도 제어에 대한 연구가 많이 이루어지지 않았다. 본 연구에서는 2중 실린더 구조를 갖는 인장 가스스프링에서의 압력 손실 계산을 통하여 피스톤 반발압력의 크기를 이론적으로 예측하였고, 피스톤과 실린더 사이의 마찰이 작은 경우와 큰 경우에 대하여 피스톤의 실제 거동을 모사해 보았다. 수치해석을 위해서는 유동해석분야에서 가장 널리 사용되고 있는 FLUENT를 이용하였고, 피스톤의 거동을 모사하기 위하여 FLUENT에서 제공하는 6-DOF 모델과 사용자정의함수(User Defined Function)를 사용하였다. 격자는 Layering 기법만으로도 Dynamic mesh가 성공적으로 구현되도록 피스톤 전후의 유동영역을 따로 분할하여 다른 형태의 격자를 생성하였다. 해석 결과 두 경우 다 최종적으로는 목표로 하는 속도로 피스톤이 복귀하는 결과를 보였으나, 최종 속도에 도달하는 과정에서 다른 차이를 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The function of gas springs is based on the compression of a gas. They are used in a wide variety of industries, and demand for them is increasing. Gas springs can be divided into compression and extension springs. Extension springs have not been studied much in relation to control of the piston speed, unlike compression springs. In this study, the magnitude of the piston rebound pressure was theoretically predicted by calculating the pressure loss in a double-cylinder extension gas spring. Numerical simulations of the piston behavior were carried out for small and large amounts of friction between the piston and the cylinder. FLUENT was used for the simulation with a 6-DOF model and UDF to simulate the behavior of the piston. The calculation regions of the front and rear of the piston were separated, and different types of grids were generated in the regions to implement a dynamic mesh using only a layering method. The results show that the piston returns with the target speed in both cases. However, the patterns of the piston behavior reaching the final speed are different.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 2중 실린더 구조를 갖는 인장 가스스프링 내에서의 피스톤 거동을 전산유체해석을 통하여 예측해 보았다. 가스스프링 내에서 발생하는 압력 손실 계산을 통하여 피스톤 반발압력의 크기를 이론적으로 예측하였고, 계산된 반발압력을 이용하여 피스톤의 실제 거동을 모사하였다.

제안 방법

6과 같이 형상을 단순화 하였다. 가스스프링 내부의 가스 유동해석에서 고체에 해당되는 부분은 해석 영역에 포함할 필요가 없기 때문에 앞에서 수행한 주요 부품들의 모델링 단순화작업을 이용하여 Fig. 7과 같이 해석에 필요한 유동영역을 추출 하였다.
본 연구에서는 2중 실린더 구조를 갖는 인장 가스스프링 내에서의 피스톤 거동을 전산유체해석을 통하여 예측해 보았다. 가스스프링 내에서 발생하는 압력 손실 계산을 통하여 피스톤 반발압력의 크기를 이론적으로 예측하였고, 계산된 반발압력을 이용하여 피스톤의 실제 거동을 모사하였다. 해석 결과 두 경우 모두 최종적으로는 목표로 하는 속도로 피스톤이 복귀하는 결과를 보였으나, 최종 속도에 도달하는 과정에서 다른 차이를 보였다.
유동해석은 해석을 위한 격자를 어떻게 구성하느냐에 따라서 해석의 성공 여부 및 결과의 정확도가 크게 좌우하게 된다. 가스스프링의 피스톤거동을 모사하기 위해서는 피스톤의 움직임에 따라 피스톤의 경계를 나타내는 벽면이 이동해야 되고, 이러한 경계면 이동으로 인한 내부 공간의 변형이 수반되어야 하므로, Fig. 8과 같이 공간 변형에 따른 격자의 재생성이 유리하도록 피스톤 전후의 유동영역을 따로 분할하여 피스톤 주변의 공간에는 Hexahedral 격자를, 그 외에 복잡한 유로가 존재하는 부분은 Tetrahedral격자를 사용하여 격자를 구성하였다.
본 연구에서는 복귀 시 속도제어가 가능하도록 2중의 실린더 구조를 갖는 인장스프링을 제작했을 때, 피스톤의 복귀 속도가 원하는 목표치 이하가 되도록, 피스톤과 내부 실린더 사이의 마찰력에 따른 가스 압을 이론적으로 계산하고 피스톤 거동에 대한 전산해석을 통하여 결과를 확인하였다.
피스톤과 실린더 사이의 마찰력이 피스톤 거동에 미치는 영향을 알아보기 위하여, 복귀속도가 0.2m/s인 경우 마찰력이 65kg_f가 되도록 변경하여 다시 해석을 수행 하였다. 실린더 내부의 초기 반발압력은 식(1)~(4)에 의해서 681280Pa_g로 계산된다.
피스톤과 안쪽 실린더사이의 마찰력이 매우 작을 경우에 대한 피스톤 거동을 예측하기 위해서 마찰력을 복귀속도가 0.2m/s인 경우 6.5kg_f 가 되도록 설정하여 해석을 수행하였다. 초기 반발압력은 식(1)~(4)에 의해서 111323Pa_g로 계산된다.

이론/모형

위에서 언급한 모델링 중, 본 연구에서는 피스톤의 변위가 피스톤에 가해지는 외력과 내부 유체가 피스톤에 작용하는 힘의 관계에 따라 결정되므로 6-DOF 모델과 더불어 User Defined Function 모델을 같이 사용하였다.

성능/효과

해석 결과 두 경우 모두 최종적으로는 목표로 하는 속도로 피스톤이 복귀하는 결과를 보였으나, 최종 속도에 도달하는 과정에서 다른 차이를 보였다. 마찰력을 작게 가정한 경우는 피스톤 복귀과정 초반에 피스톤이 진동하는 모습을 볼 수 있었으며, 크게 가정한 경우는 진동하는 양상 없이 복귀가 시작되자마자 목표 값에 가까워졌다가 점차로 감소하였다.
ANSYS-FLUENT의 Dynamic Mesh Model은 시간의 변화에 따른 경계면의 변화를 모델링하는 기법으로 경계면 부근의 격자 형상 또한 변하기 때문에 격자의 수정 및 재생성이 필요한데, ANSYS-FLUENT에서는 경계면 변화에 따른 격자 수정에 대하여 Smoothing Method 및 Dynamic Layering Method를 이용하거나 격자를 재생성하는 Remeshing Method를 이용하여 조절 하게 된다. 본 과제에서는 격자의 재생성이 유리하도록 피스톤 전후의 유동영역을 따로 분할하였기 때문에 Layering 기법만으로도 Dynamic mesh가 성공적으로 구현될 수가 있었다.
가스스프링 내에서 발생하는 압력 손실 계산을 통하여 피스톤 반발압력의 크기를 이론적으로 예측하였고, 계산된 반발압력을 이용하여 피스톤의 실제 거동을 모사하였다. 해석 결과 두 경우 모두 최종적으로는 목표로 하는 속도로 피스톤이 복귀하는 결과를 보였으나, 최종 속도에 도달하는 과정에서 다른 차이를 보였다. 마찰력을 작게 가정한 경우는 피스톤 복귀과정 초반에 피스톤이 진동하는 모습을 볼 수 있었으며, 크게 가정한 경우는 진동하는 양상 없이 복귀가 시작되자마자 목표 값에 가까워졌다가 점차로 감소하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	가스스프링의 수요와 사용량이 증가하는 이유는?	스프링은 종류에 따라 코일스프링, 고무스프링, 판스프링, 가스스프링 등으로 구분할 수 있는데, 그중에서 가스스프링은 밀폐된 실린더에 고압의 가스를 주입하여 가스의 압력으로부터 반발력을 얻어 스프링으로 사용하는 형태로, 작은 사이즈로 큰 반발력을 얻을 수 있고 긴 행정에 걸쳐 거의 일정하게 반발력을 유지할 수 있다는 장점이 있다. 또한 사용 목적에 따라 다양한 설계가 가능하기 때문에 전반적인 산업분야에서 광범위하게 이용할 수 있다[1,2]. 뿐만 아니라 차량의 트렁크 및 본 네트 등에도 유용하게 사용되는 가스스프링은 최근 자동차의 급격한 수요 증가와 더불어 그 사용량이 나날이 증가하고 있다[3].
	User Defined Function이란 무엇인가?	-. User Defined Function(사용자 정의 함수) 모델 :사용자가 별도의 함수를 이용하여 경계면의 변위를 입력하는 모델
	속도 제어 구현에 대한 연구가 지속되는 이유는?	가스스프링은 외부에서 힘을 가했을 때 압축되었다가 가스의 반발력으로 다시 복귀가 되는 압축 가스스프링과 이와 반대로 외력에 의해 인장된 상태의 피스톤이 외력이 제거 되었을 때 원상태로 복귀하게 되는 인장 가스스프링으로 나뉘게 되는데, 피스톤의 복귀 속도가 너무 빠르게 되면 가스스프링의 원활한 작동뿐만 아니라 안전에 문제가 발생할 수 있어 속도 제어 구현에 대한 연구 및 노력이 지속적으로 이루어지고 있다[4]. 그러나 대부분의 연구가 압축 가스스프링에 한정되어 있고, 인장 가스 스프링의 경우는 속도제어와 관련된 기술을 찾아보기 어려운 실정이다.

저자의 다른 논문 :

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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