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제안 방법
- 따라서 본 연구에서는 워터제트 추진기에 대해 유동해석과 구조해석을 수행하여 임펠러 축과 테일축 체결용 볼트에 걸리는 응력과 변형률 등을 검토하였으며, 특히, 워터제트 추진기의 임펠러 축과 테일 축의 정렬편차에 따라 체결용 볼트(임펠러 축, 테일 축)에 작용하는 응력과 변형률의 변화를 확인하여 볼트파손의 원인을 분석하였다.
- 6과 같이 입구 영역에 Pressure inlet 조건과 출구 영역에 Pressure outlet 조건을 설정하고, 워터제트 추진기의 설치 위치를 고려하여 입구와 출구 조건에 1atm의 정압을 입력하였으며[5-6], Reference 압력은 입구 부분으로 하였다. 또한, 워터제트 추진기를 구동하는 엔진의 제원은 출력1,492kW, 회전속도 2,350rpm 및 기어비 2.03:1 이며, 회전영역(Spinning area)에Frame motion을 사용하여 1,158rpm을 부여 하였다.
- 7에 나타낸 바와 같이 39,217개의 절점과 21,002개의 요소로 분할하였고, 해석에 적용된 재료의 기계적 성질은 Table 1 과 같다[7]. 아울러, 워터제트 추진기의 축이 임펠러 축과 테일 축으로 구분되어 있으므로 이들 축의 정렬이 가장 중요한 요소로 판단되어, 축 정렬편차를 0mm, 0.15mm, 4.0mm의 3가지 조건을 대상으로 영향성을 분석하였다.
- 워터제트 추진기를 정비하기 위해 유도관, 임펠러 축, 테일 축, 임펠러, 유압실린더 및 각종 체결용 볼트 등을 분해하였다. 분해전에는 확인이 곤란하였던 사항으로 Fig.
- 워터제트 추진기에 대해 유동해석과 구조해석을 수행하여 임펠러 축과 테일 축 체결용 볼트에 걸리는 응력과 변형률 등을 검토하였다. 얻어진 결과를 요약하면 다음과 같다.
데이터처리
- 따라서 ANSYS에서 FSI 해석방법을 적용하기 위해 Fluent의 결과값을 Structure의 Model에 모듈형식으로 연결하여 구조해석을 수행하였다[3-4].
이론/모형
- 유동해석에서 발생하는 압력이 워터제트 추진기의 구조물에 어떠한 영향을 미치는지를 FSI 기법을 이용하여 구조해석의 경계조건으로 적용하였다. 또한, 축의 회전력은 유동해석과 동일한 1,158rpm을 입력하였으며 해석 모델은 Fig.
- 유동해석의 격자 구조는 모델의 단차 영역에서 Surface 간의 근접성과 격자의 조밀도를 계산하여 격자를 생성하는 옵션인 Proximity와 복잡한 형상이라도 매우 빠르게 격자를 형성해주는 Cutcell mesh를 사용하였고, Fig. 5 와 같이 1,304,873개의 절점과 1,210,826개의 요소로 분할하였다.
- 해석은 유체-구조물의 상호작용을 반영하는 FSI기법을 적용하였으며, FSI기법은 유체-구조물 연계해석이 가능한 특징이 있다. 유체는 일반적으로 압력, 온도 및 하중을 전달하며 이로 인한 구조체 변형에 대한 정보가 다시 유동장에 전달되어 이에 따른 유체의 해석결과에 영향을 받으면서 양방향 연성해석이 가능한 수치해석이다[2] .
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