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초록
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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.

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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...

주제어

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  • (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.
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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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참고문헌 (15)

  1. Brauer, K. O., Handbook of Pyrotechnics, Chemical Publishing Co., New York, 1974. 

  2. Kenny, B., and Patterson, E. A., "Load and Stress Distribution in Screw Threads, " . Experimental Mechanics, Vol. 25, No. 3, 1985, pp.208-213. 

  3. Chen, J. J., and Shih, Y. S., "A Study of the Helical Effect on the Thread Connection by Three Dimensional Finite Element Analysis," Nuclear Engineering and Design, Vol. 191, No. 2, 1999, pp.109-116. 

  4. Alexander, E. M. "Design and Strength of Screw Threads," Transactions of Conference on Metric Mechanical Fasteners, 1975, pp. 73-84. 

  5. Junker, G. H., "New Criteria for Self-Loosening of Fasteners Under Vibration," SAE Transactions, 1969, pp.314-335. 

  6. Housari, B. A., and Nassar, S. A., "Effect of Thread and Bearing Friction Coefficients on the Vibration-Induced Loosening of Threaded Fasteners," Journal of Vibration and Acoustics, Vol. 129, No. 4, 2007, pp.484-494. 

  7. Woo, J. M., Cha, S. W., Cho, J. Y., Kim, J. H., Roh, T. S., Jang, S. G., Lee, H. N., and Yang, H. W., "Prediction of Pyroshock-Reduced Separation Nut Behaviors," Journal of Propulsion and Power, Vol. 34, No. 5, 2018, pp.1240-1255. 

  8. Forys, C., and Jeanneau, O., U.S. Patent Application for a "Pyroalliance", No. US09801713, filed 9 March 2001. 

  9. Woo, J. M., Jang, J. S., Cho, J. Y., Kim, J. H., Roh, T. S., and Yang, H. W., "Design Concept of Pyrotechnic Separation Nut," Proceeding of the 2015 Korean Society of Propulsion Engineers Spring Conference, 2015, pp.377-381. 

  10. Eum, K. H., Lee, T. M., Ahn, S. H., and Kang., M. J., "Tolerance Processing in STEPCase Study," Proceeding of the 2010 Korean Society for Precision Engineering Fall Conference, 2010, pp.485-486. 

  11. ISO 286, Geometrical Product Specifications (GPS) - ISO Code System for Tolerances on Linear Sizes, 2010. 

  12. Bickford, J. H., Introduction to the Design and Behavior of Bolted Joints : Nongasketed Joints, 4th ed., CRC press, New York, 2008. 

  13. Budynas, R. G., and Nisbett, J. K., Shigley's Mechanical Engineering Design, 9th ed., McGraw-Hill, New York, 2011. 

  14. Kang, D. H., "A Study on the Nut Factor of Segmented Nuts in the Pyro Separation Nut," Master's Thesis, Inha University, Incheon, Republic of Korea, 54 pages. 

  15. Choi, J. Y., Woo, J. M., Kang, D. H., Kim, J. H., Cho, J. Y., Jang, S. G., and Yang, H. W., "Bolt Loosening Analysis under Transverse Vibration for Design of Reliable Pyrotechnic Separation Nut," Journal of the Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol. 46, No. 12, 2018, pp.1004-1011. 

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