유한요소 해석을 이용하여 분할 너트를 이용하는 파이로테크닉 분리 너트의 체결부 특성을 파악하였다. 분할 너트를 이용하는 경우, 체결 과정에서 분할 너트가 반경 방향으로 벌어지는 것을 막기 위해 구속해주는 구속원통이 필수적이다. 이때, 제작 과정에서 공차로 인해 분할 너트의 외경과 구속원통 내경 사이에 발생하는 틈새의 영향을 파악하기 위하여 적절한 유한요소 볼트 체결 모델링 기법을 연구하였으며, 틈새가 0.00, 0.03, 0.06, 0.10 mm인 모델을 만들어 해석 결과를 검토하였다. 해석 결과를 통해 너트의 분할 여부 및 틈새 크기에 따라 달라지는 체결부의 특성을 확인하였으며 이로부터 신뢰성 있는 파이로테크닉 분리 너트 설계를 위해 고려해야 할 사항을 파악하였다.
유한요소 해석을 이용하여 분할 너트를 이용하는 파이로테크닉 분리 너트의 체결부 특성을 파악하였다. 분할 너트를 이용하는 경우, 체결 과정에서 분할 너트가 반경 방향으로 벌어지는 것을 막기 위해 구속해주는 구속원통이 필수적이다. 이때, 제작 과정에서 공차로 인해 분할 너트의 외경과 구속원통 내경 사이에 발생하는 틈새의 영향을 파악하기 위하여 적절한 유한요소 볼트 체결 모델링 기법을 연구하였으며, 틈새가 0.00, 0.03, 0.06, 0.10 mm인 모델을 만들어 해석 결과를 검토하였다. 해석 결과를 통해 너트의 분할 여부 및 틈새 크기에 따라 달라지는 체결부의 특성을 확인하였으며 이로부터 신뢰성 있는 파이로테크닉 분리 너트 설계를 위해 고려해야 할 사항을 파악하였다.
The clamping characteristics of segmented nuts in pyrotechnic separation nut are investigated using finite element analysis. When the segmented nuts are used to clamp objects, a constraint cylinder is necessary to prevent the segmented nuts from spreading out to the radial direction. During the manu...
The clamping characteristics of segmented nuts in pyrotechnic separation nut are investigated using finite element analysis. When the segmented nuts are used to clamp objects, a constraint cylinder is necessary to prevent the segmented nuts from spreading out to the radial direction. During the manufacturing process, a clearance is usually introduced between the outer diameter of the segmented nuts and the inner diameter of the constraint cylinder. Therefore to find out the effect of the clearance, proper finite element modeling method is suggested to describe the clamping procedure appropriately. In addition, finite element analysis with the clearance of 0.00, 0.03, 0.06, and 0.10 mm are performed. From the analysis results, the clamping characteristics of segmented nuts are investigated according to the clearance, and several factors which should be considered to design a reliable pyrotechnic separation nut are figured out.
The clamping characteristics of segmented nuts in pyrotechnic separation nut are investigated using finite element analysis. When the segmented nuts are used to clamp objects, a constraint cylinder is necessary to prevent the segmented nuts from spreading out to the radial direction. During the manufacturing process, a clearance is usually introduced between the outer diameter of the segmented nuts and the inner diameter of the constraint cylinder. Therefore to find out the effect of the clearance, proper finite element modeling method is suggested to describe the clamping procedure appropriately. In addition, finite element analysis with the clearance of 0.00, 0.03, 0.06, and 0.10 mm are performed. From the analysis results, the clamping characteristics of segmented nuts are investigated according to the clearance, and several factors which should be considered to design a reliable pyrotechnic separation nut are figured out.
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가설 설정
(4)와 같다. 두 번째로는 틈새가 있는 경우를 모사하기 위하여 Fig. 4의 두 번째 그림과 같이 절단부 쪽 나사산에만 접촉력 P1과 P2가 작용한다고 가정한다. 이를 식으로 표현하면 Eq.
4의 첫 번째 그림과 같이 원주방향으로 나사산에 힘이 고르게 분포하고, 틈새가 커질수록 각 분할 너트의 중앙인 π/4를 중심으로 각도±∆θ만큼 접촉력이 작용하지 않는다고 가정한다. 또한 Z축 방향 접촉력 분포의 변화도 무시하고 모든 나사산에 작용하는 접촉력의 분포는 동일하다고 가정한다. 마지막으로 앞서 가정한 것과 같이 분할 너트의 절단부가 분할 너트 외경이 만드는 원의 중심을 지나는 선 위에 놓여있다고 가정한다.
또한 Z축 방향 접촉력 분포의 변화도 무시하고 모든 나사산에 작용하는 접촉력의 분포는 동일하다고 가정한다. 마지막으로 앞서 가정한 것과 같이 분할 너트의 절단부가 분할 너트 외경이 만드는 원의 중심을 지나는 선 위에 놓여있다고 가정한다. Table 12에 나열한 백분율과 같이, 하중의 비율을 고려하면 f와 r값을 무시하고도 ∆θ를 계산할 수 있다.
모든 접촉면의 마찰계수는 0.3으로 가정하였으며, 면대면 접촉으로 모델링하였다. 나사산에서 높은 응력이 발생할 것을 대비하여 재료의 소성 영역까지 고려하였다.
(4), (5)에서 Z축 방향 하중의 크기는 이와 같은 관계를 이용하여 유도한 것이다. 유한요소 해석 결과, 틈새의 크기가 달라져도 체결력의 크기가 유사하였으므로 두 경우에서체결력이 동일하다고 가정한다. 나사산에 작용하는 Z축 방향 하중의 크기를 합산한 값이 바로 체결력이므로 이를 이용하여 Eq.
(5)와 같다. 이때, 계산의 편의를 위하여 분할 너트에서 밑판 돌출부의 너비만큼 잘려나간부분은 무시하고, 분할 너트의 절단부가 분할 너트 외경이 만드는 원의 중심을 지나는 선 위에 놓여있다고 가정한다.
이를 설명하기 위해, 나사산의 접촉력 분포 상태를 고려하여 분할 너트의 나사산에 작용하는 하중의 형태를 두 가지로 나누어 생각해본다. 첫 번째로는 틈새가 없는 경우를 모사하기 위하여 Fig. 4의 첫 번째 그림과 같이 나사산에서 반경이 r인 위치에 크기가 일정한 단위 길이 당 접촉력 f가 작용한다고 가정한다. 이를 식으로 표현하면 Eq.
틈새가 0.00 mm 인 경우에는 Fig. 4의 첫 번째 그림과 같이 원주방향으로 나사산에 힘이 고르게 분포하고, 틈새가 커질수록 각 분할 너트의 중앙인 π/4를 중심으로 각도±∆θ만큼 접촉력이 작용하지 않는다고 가정한다.
제안 방법
Bolt load 기능을 사용해 면을 선택한 후 목표체결력을 입력하면, 선택한 면을 포함하는 부품을 인장 또는 압축하는 방식으로 입력한 체결력을 만들어낸다. 그러나 본 연구에서는 나사산을 모델링한 후, 볼트에 체결토크를 가하여 체결하는 방법을 사용하였다.
이에 본 연구에서는 분할 너트의 특성을 반영할 수 있는 체결해석 절차를 수립하고 해석모델을 구성하였다. 그리고 이를 통해 분할 너트와 구속원통 사이의 틈새 크기에 따른 체결특성 변화를 고찰하였다.
3으로 가정하였으며, 면대면 접촉으로 모델링하였다. 나사산에서 높은 응력이 발생할 것을 대비하여 재료의 소성 영역까지 고려하였다.
10 mm 이하인 경우가 전체의 약 66 %를 차지한다. 따라서 틈새가 0.00, 0.03, 0.06, 0.10 mm인 경우에 대하여 체결특성의 변화를 고찰하였다.
분리 너트 역시, 분리 시점까지는 물체에 외력이 작용하더라도 체결이 해제되지 않도록 하는 너트로서의 역할을 충실히 수행해야 한다. 본 연구에서 다룰 파이로테크닉 분리 너트는 여러 조각으로 나누어진 분할 너트를 체결에 이용한다. 일반적인 형태의 너트를 사용하는 체결에 대해서는 오래전부터 많은 연구가 수행되어 나사산의 하중 분포[2,3], 나사산 강도의 계산법[4], 진동으로 인한 볼트 풀림[5], 나사산 및 자리면 마찰계수에 따른 볼트 풀림 특성 변화[6] 등과 같이 다양한 연구 결과가 존재하며 이를 바탕으로 너트 및 볼트의 재질, 형태, 최소 체결길이 등에 대한 규격이 정립된 상태이지만 분할 너트에 대해서는 이러한 정보가 충분하지 않다.
볼트 체결 방식을 두 가지 방법으로 모델링하여 어떤 방법이 분할 너트를 이용한 체결부의 해석에 적합한지 확인하였다. 분할 너트의 해석을 위해서는 모델링이 어렵더라도 반드시 나선형으로 나사산을 만든 후 볼트에 체결토크를 가하는 방식으로 체결해야 체결과정에서 분할 너트의 거동과 이로 인한 영향을 정확히 확인할 수 있다.
분할 너트를 이용하는 파이로테크닉 분리 너트 체결부의 특성을 파악하기 위해 유한요소 해석을 수행하였다. 분할 너트를 이용하는 경우 체결 과정에서 분할 너트가 반경 방향으로 벌어지는 것을 막는 구속원통이 반드시 필요하므로, 구속원통, 분할 너트, 밑판, 볼트로 구성한 체결부 유한요소 모델을 구성하였다. 이때 제작과정에서 분할 너트와 구속원통 사이에 발생하는 틈새의 영향을 파악하기 위하여 틈새가 0.
분할 너트를 이용하는 체결부의 특성을 파악하기 위하여 파이로테크닉 분리 너트의 다른 구성품을 제외하고 구속원통, 분할 너트, 볼트를 모델링 하여 유한요소 모델을 구성하였다. 구성한 체결부모델은 Fig.
분할 너트를 이용하는 파이로테크닉 분리 너트 체결부의 특성을 파악하기 위해 유한요소 해석을 수행하였다. 분할 너트를 이용하는 경우 체결 과정에서 분할 너트가 반경 방향으로 벌어지는 것을 막는 구속원통이 반드시 필요하므로, 구속원통, 분할 너트, 밑판, 볼트로 구성한 체결부 유한요소 모델을 구성하였다.
분할 너트를 이용하는 경우 체결 과정에서 분할 너트가 반경 방향으로 벌어지는 것을 막는 구속원통이 반드시 필요하므로, 구속원통, 분할 너트, 밑판, 볼트로 구성한 체결부 유한요소 모델을 구성하였다. 이때 제작과정에서 분할 너트와 구속원통 사이에 발생하는 틈새의 영향을 파악하기 위하여 틈새가 0.00, 0.03, 0.06, 0.10 mm와 같이 달라질 때 체결부의 특성이 어떻게 달라지는지 파악하였다.
이를 설명하기 위해, 나사산의 접촉력 분포 상태를 고려하여 분할 너트의 나사산에 작용하는 하중의 형태를 두 가지로 나누어 생각해본다. 첫 번째로는 틈새가 없는 경우를 모사하기 위하여 Fig.
한편, 부품의 제작 과정에서 분할 너트의 외경과 구속원통의 내경에 공차가 발생하면 두 부품 사이에 틈새가 생기고 이로 인해 체결 특성이 달라질 수 있다. 이에 본 연구에서는 분할 너트의 특성을 반영할 수 있는 체결해석 절차를 수립하고 해석모델을 구성하였다. 그리고 이를 통해 분할 너트와 구속원통 사이의 틈새 크기에 따른 체결특성 변화를 고찰하였다.
해석은 두개의 과정으로 나누어 수행하였다. 첫 번째 과정은 볼트에 가하는 체결토크를 0 N mm부터 424,000 N • mm까지 높이며 체결을 하는 과정이고, 두 번째 과정은 체결토크를 다시 0 N mm로 만들어 체결을 마무리하는 과정이다.
대상 데이터
공차는 대상형상에 표현된 치수의 허용 오차범위를 의미하는 치수공차와 가공되는 제품 형상의 기하학적 정밀도에 대한 허용 오차 범위를 의미하는 기하공차로 나눌 수 있다[10]. 본 연구에서 다루는 것은 분할 너트 외경과 구속원통 내경의 치수공차이다.
이론/모형
유한요소 해석은 상용 소프트웨어인 ABAQUS의 6.10-1 버전을 이용하여 수행하였다.
Table 3은 볼트에 체결토크를 가하여 체결하였을 때와 Bolt load 기능을 이용하여 체결하였을 때 분할 너트의 거동을 과장하여 도시한 것이다. 이때, 모든 케이스에 대하여 같은 크기의 Deformation scale factor를 사용하였다. 그림에 표시되어있는 빨간색 굵은 실선은 체결이 시작되기 전 너트의 초기 위치를 표시한 것이다.
성능/효과
구속원통이 운동을 시작하기 위해서는 구속원통에 작용하는 연소가스 압력이 접촉력으로 인한 마찰력보다 더 커야 한다. 그러나 제작 과정에서 생기는 틈새의 크기는 예측이 불가능하므로 파이로테크닉 분리 너트의 신뢰성 있는 설계를 위해서는 틈새가 0.00 mm인 경우를 기준으로 삼아 구속원통에 작용하는 마찰력의 크기를 보수적으로 고려해야 함을 알 수 있었다.
따라서 체결에 분할 너트를 이용하는 경우에는 운용 중 스트리핑의 발생 가능성도 검토해야 함을 알 수 있었다. 또한, 체결토크가 동일할 때 틈새가 커지면 체결력의 크기는 소폭 증가하는데 반해, 분할 너트와 구속원통 사이에서 발생하는 마찰력의 크기는 오히려 감소하였다. 구속원통이 운동을 시작하기 위해서는 구속원통에 작용하는 연소가스 압력이 접촉력으로 인한 마찰력보다 더 커야 한다.
체결이 끝나 체결토크가 더 이상 가해지고 있지 않을 때, 각 케이스의 최종 체결력은 Table 6에 나열한 것과 같다. 이론식으로 계산한 체결력 80758.3 N에 대한 백분율을 확인해 보면, 유한요소 해석 결과 도출한 체결력이 이론식으로 계산한 값과 유사함을 확인할 수 있다. 분할 너트의 경우, 그 차이가 크지는 않지만 틈새가 커짐에 따라 소폭 증가하는 경향이 있다.
Table 4의 세 번째 행에 나열한 그림에서 검정색 영역은 분할 너트의 바깥쪽 면에서 5 N 이상의 접촉력이 작용하는 부분을 의미한다. 접촉력이 모든 면에 고르게 분포하지 않고 볼트의 회전 방향을 따라 한쪽 절단부로 집중되었으며, 틈새가 커질수록 좁은 면적에 작용하는 것을 확인 할 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
신뢰성 있는 파이로테크닉 분리 너트를 설계하기 위해 접촉력을 파악해야 하는 이유는 무엇인가?
분할 너트를 반경 방향으로 벌어지게 하여 체결한 물체를 분리하기 위해서는 먼저 구속원통을 움직여 너트에 작용하고 있는 구속을 해제해야 한다. 구속원통을 움직이려면, 구속원통에 작용하는 연소가스 압력이 체결 과정에서 발생한 너트와 구속원통 간의 접촉에 의한 마찰력보다 더 커져야 한다. 따라서 신뢰성 있는 파이로테크닉 분리 너트를 설계하기 위해서는, 분할 너트와 구속원통 사이에 작용하는 접촉력을 명확히 파악해야 한다.
파이로테크닉이란 무엇인가?
“파이로테크닉”이란 연소하는 화약이 만들어낸 압력으로 작동하는 장치를 의미한다. 폭발볼트,핀풀러, 분리 너트와 같은 파이로테크닉 분리 장치는 특정 시점에 빠르고 정확하게 물체를 분리하기위해 사용한다[1].
분리 너트는 어디에 사용되는가?
폭발볼트,핀풀러, 분리 너트와 같은 파이로테크닉 분리 장치는 특정 시점에 빠르고 정확하게 물체를 분리하기위해 사용한다[1]. 이중에서 분리 너트는 발사, 제어, 구동, 단 분리 등 유도탄과 항공우주산업 분야에서 다양한 용도로 사용되고 있다.
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