최근 우수한 충격 저감 효과로 인해 파이로테크닉 분리 장치의 한 종류인 저충격 파이로 테크닉 분리 너트에 많은 관심이 주어지고 있다. 하지만 파이로테크닉 분리 너트의 경우 일반 너트 대신 분할 너트가 사용되기 때문에 볼트 풀림 거동에 대한 연구가 충분히 이루어지지 않은 측면이 있다. 이에 본 연구에서는 Junker 진동시험을 준거삼아 볼트 풀림 해석을 수행하였다. 해석은 크게 두 단계로 이루어져 있다. 첫 번째 단계는 체결토크를 이용하여 볼트를 분리너트에 체결하는 과정이고, 두 번째 단계는 횡 방향 가진을 통해 볼트가 풀리는 과정이다. 이러한 과정을 통해 볼트 풀림 거동을 얻을 수 있었다. 또한 신뢰성 있는 파이로테크닉 분리 너트의 설계를 위해 체결부 틈새가 볼트 풀림 거동에 미치는 영향을 고찰하였다.
최근 우수한 충격 저감 효과로 인해 파이로테크닉 분리 장치의 한 종류인 저충격 파이로 테크닉 분리 너트에 많은 관심이 주어지고 있다. 하지만 파이로테크닉 분리 너트의 경우 일반 너트 대신 분할 너트가 사용되기 때문에 볼트 풀림 거동에 대한 연구가 충분히 이루어지지 않은 측면이 있다. 이에 본 연구에서는 Junker 진동시험을 준거삼아 볼트 풀림 해석을 수행하였다. 해석은 크게 두 단계로 이루어져 있다. 첫 번째 단계는 체결토크를 이용하여 볼트를 분리너트에 체결하는 과정이고, 두 번째 단계는 횡 방향 가진을 통해 볼트가 풀리는 과정이다. 이러한 과정을 통해 볼트 풀림 거동을 얻을 수 있었다. 또한 신뢰성 있는 파이로테크닉 분리 너트의 설계를 위해 체결부 틈새가 볼트 풀림 거동에 미치는 영향을 고찰하였다.
Recently, pyrotechnic separation nut has attracted a considerable attention because of its shock reduction effect among various pyrotechnic mechanical devices. However, its bolt loosening behavior under transverse vibration has not been studied sufficiently, since segmented nuts are utilized instead...
Recently, pyrotechnic separation nut has attracted a considerable attention because of its shock reduction effect among various pyrotechnic mechanical devices. However, its bolt loosening behavior under transverse vibration has not been studied sufficiently, since segmented nuts are utilized instead of conventional nut in pyrotechnic separation nut. With the background, bolt loosening analyses are carried out referring to Junker vibration test. The analysis procedure consists of two steps. The first step is the bolt fastening step, screwing the bolt by fastening torque. The second step is the bolt loosening step under transverse vibration. Through the procedure, bolt loosening behaviors are obtained, and the effect of clearance on loosening behavior is closely investigated for reliable design of pyrotechnic separation nut.
Recently, pyrotechnic separation nut has attracted a considerable attention because of its shock reduction effect among various pyrotechnic mechanical devices. However, its bolt loosening behavior under transverse vibration has not been studied sufficiently, since segmented nuts are utilized instead of conventional nut in pyrotechnic separation nut. With the background, bolt loosening analyses are carried out referring to Junker vibration test. The analysis procedure consists of two steps. The first step is the bolt fastening step, screwing the bolt by fastening torque. The second step is the bolt loosening step under transverse vibration. Through the procedure, bolt loosening behaviors are obtained, and the effect of clearance on loosening behavior is closely investigated for reliable design of pyrotechnic separation nut.
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문제 정의
본 논문에서는 분할 너트를 이용한 파이로테크닉 분리 너트 체결부에 횡 방향 진동 작용 시 발생할 수 있는 볼트 풀림에 관한 연구를 수행하였다. 분할 너트의 외경과 구속원통의 내경 사이의 틈새가 볼트 풀림에 미치는 영향을 확인하기 위해, 틈새를 0.
이에 본 논문에서는 장치의 체결부를 구성하는 분할 너트와 구속원통 사이의 틈새 유무에 따라 발생할 수 있는 볼트 풀림에 대해 다루었다. 통용 허용오차[6]를 고려하여 틈새의 크기를 0.
파이로테크닉 분리 장치는 주로 발사체의 단분리에 사용되며, 체결 상태를 유지하다가 원하는 시점에 도달하면 구성품의 분리를 유발하는 것이 그 목적이다. 일반적으로 사용되는 분리 장치로는 폭발볼트가 있다.
제안 방법
볼트머리의 회전각도 변화를 통해 볼트의 풀림을 직접적으로 확인할 수 있다. 각 모델들의 유한 요소 해석 결과에서, 동일한 볼트머리의 절점을 선택하고 20 주기 동안 해당 절점에서의 각도 변화를 확인하였다. Fig.
다음으로, 20 주기 동안의 볼트머리 회전각도를 통해서 볼트의 풀림을 수치적으로 확인하였다. 해석 결과를 통해, 틈새 별로 각각 0.
10 mm로 분류하였고, Junker 진동시험(Junker vibration test)[7]을 참고하여 형상 모델링을 진행하였다. 또한, 체결부에 반복적인 진동을 인가하여 볼트 풀림 해석을 수행한 후, 틈새에 따른 볼트 풀림 경향을 고찰하였다.
먼저, 첫 번째와 마지막 주기에서의 틈새 크기별 히스테리시스 곡선을 확인하였다. 해석 결과, 틈새가 클수록 히스테리시스 곡선의 면적이 작음을 알 수 있었으며, 시간이 증가할수록 점차 히스테리시스 곡선의 면적이 감소함을 확인하였다.
볼트 풀림 해석에 앞서, 틈새의 크기가 다른 각각의 모델에 대해 체결 해석을 수행하였다. 실제 볼트를 돌려 체결하는 방식을 모사하기 위해, 볼트 머리에 동일한 토크를 인가하여 체결 해석을 진행하였다.
볼트가 크게 풀리는 구간에서 볼트의 stick, slip 상태를 확인하기 위해, Fig. 17과 같이 ④구간을 구성하는 점 D와 점 E에서 볼트의 stick, slip 거동을 살펴보았다. 점 D에서는 횡 방향 변위에 의해 볼트 자리면에서 localized slip이 발생하다가 점 E에서는 구성품 사이의 stick 상태가 없어지고 complete slip 상태로 변화한다.
분할 너트를 이용한 파이로테크닉 분리 너트 체결부에서의 볼트 풀림 해석을 위해, Junker 진동시험을 참고하여 Fig. 5와 같이 모델링을 진행하였다. Fig.
본 논문에서는 분할 너트를 이용한 파이로테크닉 분리 너트 체결부에 횡 방향 진동 작용 시 발생할 수 있는 볼트 풀림에 관한 연구를 수행하였다. 분할 너트의 외경과 구속원통의 내경 사이의 틈새가 볼트 풀림에 미치는 영향을 확인하기 위해, 틈새를 0.00 mm, 0.03 mm, 0.06 mm, 0.10 mm로 분류하여 분할 너트를 이용한 파이로테크닉 분리 너트의 체결부를 모델링하였고, Junker 진동시험과 그 관련 규격을 참고하여 볼트 풀림 해석을 수행하였다. 해석 결과를 토대로, 진동에 의한 볼트 풀림 경향을 세 가지 관점에서 분석하였다.
볼트 풀림 해석에 앞서, 틈새의 크기가 다른 각각의 모델에 대해 체결 해석을 수행하였다. 실제 볼트를 돌려 체결하는 방식을 모사하기 위해, 볼트 머리에 동일한 토크를 인가하여 체결 해석을 진행하였다. 여기서, 볼트 체결 방법은 강다훈의 공학석사학위 논문[11]에 명시된 체결 방법을 참고했다.
윤활제를 바른 상태를 모사하기 위해 볼트 자리면과 진동판 사이 접촉면의 마찰계수(μh)와 분할 너트와 볼트 나사산 사이의 마찰계수(μt)로 0.19[13]를 적용하였고 실제 진동시험에서 사용하는 롤러베어링을 모사하기 위해 진동판과 밑판 사이의 마찰계수(μc)는 0(Frictionless)을 적용하였다.
이에 본 논문에서는 장치의 체결부를 구성하는 분할 너트와 구속원통 사이의 틈새 유무에 따라 발생할 수 있는 볼트 풀림에 대해 다루었다. 통용 허용오차[6]를 고려하여 틈새의 크기를 0.00 mm, 0.03 mm, 0.06 mm, 0.10 mm로 분류하였고, Junker 진동시험(Junker vibration test)[7]을 참고하여 형상 모델링을 진행하였다. 또한, 체결부에 반복적인 진동을 인가하여 볼트 풀림 해석을 수행한 후, 틈새에 따른 볼트 풀림 경향을 고찰하였다.
틈새 크기에 따른 네 개의 모델에 동일한 해석 조건을 적용하여 볼트 풀림 해석을 수행하였다.
6과 같이, 구속원통 내경과 분할 너트 외경의 차이로 정의하였다. 틈새의 크기에 따른 결과를 비교 분석하기 위해, 틈새가 0.00 mm, 0.03 mm, 0.06 mm, 0.10 mm인 형상들을 모델링하였다. 유한요소 모델링과 해석은 유한요소해석 상용 소프트웨어인 ABAQUS를 이용하여 수행하였다.
10 mm를 의미한다. 틈새의 크기에 따른 볼트 풀림 해석 결과를 토대로, 처음과 마지막 주기에서의 히스테리시스 곡선을 분석하였다.
한 주기 안에서의 각도 변화를 확인하기 위해서, Fig. 14와 같이 마지막 주기의 틈새 크기에 따른 볼트머리 회전각도를 살펴보았다. Fig.
10 mm로 분류하여 분할 너트를 이용한 파이로테크닉 분리 너트의 체결부를 모델링하였고, Junker 진동시험과 그 관련 규격을 참고하여 볼트 풀림 해석을 수행하였다. 해석 결과를 토대로, 진동에 의한 볼트 풀림 경향을 세 가지 관점에서 분석하였다.
대상 데이터
볼트의 경우, 나사의 직경이 14 mm이고 나사산의 피치(Pitch)가 1.5 mm인 M14×1.5 볼트를 사용했다.
이론/모형
실제 볼트를 돌려 체결하는 방식을 모사하기 위해, 볼트 머리에 동일한 토크를 인가하여 체결 해석을 진행하였다. 여기서, 볼트 체결 방법은 강다훈의 공학석사학위 논문[11]에 명시된 체결 방법을 참고했다.
10 mm인 형상들을 모델링하였다. 유한요소 모델링과 해석은 유한요소해석 상용 소프트웨어인 ABAQUS를 이용하여 수행하였다.
성능/효과
여기서, 틈새에 따른 체결 축력 감소율의 증가 비율은 볼트 풀림 방향으로의 볼트머리 회전각도 증가 비율과 일치한다. 따라서 두체결 축력과 볼트머리 회전각도는, 볼트머리가 회전한 각도만큼 체결 축력이 감소하는, 비례관계에 있음을 알 수 있다.
마지막으로, 20 주기 동안의 틈새에 따른 체결 축력 감소 경향을 확인하였다. 틈새가 없는 경우, 완만한 체결 축력 감소 경향을 보이는 반면, 틈새가 커질수록 급격한 체결 축력 감소 경향을 보인다.
세 가지 관점에서 볼트 풀림 경향을 분석한 결과, 틈새가 커짐에 따라 볼트의 풀림율도 커짐을 확인할 수 있다. 볼트 풀림은 체결 축력의 감소를 의미하고, 각 틈새 별로, 감소한 20 주기 이후의 체결 축력은 기존의 체결 토크의 약 93 %, 87 %, 84 %, 82 % 값으로 조였을 때의 체결 축력과 같다.
틈새가 없는 경우, 완만한 체결 축력 감소 경향을 보이는 반면, 틈새가 커질수록 급격한 체결 축력 감소 경향을 보인다. 틈새의 크기에 따라, 초기 체결 축력에 비해, 20 주기 이후의 체결 축력이 5.8 %, 14.4 %, 17.4 %, 그리고 18.9 % 감소하였다. 틈새가 0.
먼저, 첫 번째와 마지막 주기에서의 틈새 크기별 히스테리시스 곡선을 확인하였다. 해석 결과, 틈새가 클수록 히스테리시스 곡선의 면적이 작음을 알 수 있었으며, 시간이 증가할수록 점차 히스테리시스 곡선의 면적이 감소함을 확인하였다. 여기서, 히스테리시스 곡선의 면적 크기는 볼트 풀림의 정도를 나타내기 때문에 틈새가 커질수록 볼트가 더 많이 풀렸음을 알 수 있다.
해석 결과를 통해, 틈새 별로 각각 0.94°, 2.31°, 2.79°, 3.01°만큼 풀림 방향으로 회전했음을 알 수 있었다.
후속연구
그러므로 이러한 악영향을 최소화하기 위해서는 요구된 설계 조건에 맞는 공차 관리가 필수적임을 확인하였다. 특히, 극심한 진동환경에서 운용될 경우에는, 공차관리 뿐만 아니라 풀림 방지 너트 혹은 다중 나사산을 갖는 특수 형태의 너트[15] 등 풀림을 원천적으로 방지할 수 있는 방안을 고려해야 할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
PMD란 무엇인가
PMD(Pyrotechnic Mechanical Device)는 화약을 이용하여 열, 압력 등을 발생시켜 발사, 제어, 구동, 분리 등 여러 기능을 수행하는 장치를 말한다[1]. 그 중에서, 구성품의 결합과 분리를 목적으로 사용하는 장치를 파이로테크닉 분리 장치라고 한다.
파이로테크닉 분리 장치의 목적은 무엇인가
파이로테크닉 분리 장치는 주로 발사체의 단분리에 사용되며, 체결 상태를 유지하다가 원하는 시점에 도달하면 구성품의 분리를 유발하는 것이 그 목적이다. 일반적으로 사용되는 분리 장치로는 폭발볼트가 있다.
폭발볼트의 단점을 개선한 장치는 무엇인가
그러나 폭발볼트의 경우 화약 폭발 시 발생하는 큰 충격파로 인해 구조물이나 전자장비가 손상될 수 있고, 결국 이는 임무 실패로 이어질 수 있다[2]. 이에 비해, 화약의 연소를 통해 발생된 압력을 이용하여 분리 임무를 수행하는 저충격 파이로테크닉 분리 너트는 이러한 단점을 개선한 장치이다.
참고문헌 (15)
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Kim, Z. I., Kim, D. J., Jung, D. H., and Kim, N. C., "Study on Technics of Decreasing Separation Pyro-shock of PMD," Proceeding of The 2015 Korean Society of Propulsion Engineers Fall Conference, 2015, pp.543-546.
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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.
Pai, N. G. and Hess, D. P., "Three-Dimensional Finite Element Analysis of Threaded Fastener Loosening Due to Dynamic Shear Load," Engineering Failure Analysis, vol. 9, No. 4, 2002, pp.383-402.
Woo, J. M., Kang, D. H., Choi, J. Y., Kim, J. H., Cho, J. Y., Jang, S. G., and Yang, H. W., "Effect of Clearance on Clamping Characteristics of Segmented Nuts in Pyrotechnic Separation Nut," Journal of The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol. 46, No. 11, 2018, pp.994-1003.
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, pp.26-27.
ISO 16130, Aerospace series - Dynamic Testing of the Locking Behaviour of Bolted Connections under Transverse Loading Conditions (vibration test), 2015.
VID 2230, Systematic calculation of high duty bolted joints - Joints with one cylindrical bolt, 2003.
Urone, P. P., Physics with health science applications, John Wiley & Sons, 1985.
Lee, W. H., Huh, Y., Cho, S. K., Koo, J. M., and Seok, C. S., "A Study on the Development of Loose Prevention Bolt and Nut," Proceeding of The 2007 Korean Society for Precision Engineering Spring Conference, 2007, pp.529-530.
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