[논문]유한요소해석을 이용한 터빈 케이스의 컨테인먼트 성능 평가

백준우; 김상우; 이수용

doi:10.20910/jase.2023.17.5.19

유한요소해석을 이용한 터빈 케이스의 컨테인먼트 성능 평가
Turbine Case Containment Capability Evaluation Using Finite Element Analysis 원문보기

항공우주시스템공학회지 = Journal of aerospace system engineering, v.17 no.5, 2023년, pp.19 - 27

백준우 (한국항공대학교 항공우주 및 기계공학과) , 김상우 (한국항공대학교 항공우주 및 기계공학과) , 이수용 (한국항공대학교 항공우주 및 기계공학과)

초록
AI-Helper

본 연구에서는 유한요소해석을 이용하여 터빈 케이스의 컨테인먼트 성능 평가를 수행하였다. 충격 하중을 받는 구조물의 경우 변형률 속도가 증가함에 따라 유동 응력이 증가하기 때문에 충격 거동을 해석하기 위해서는 변형률 속도가 필수적으로 고려되어야 한다. 본 연구에서는 3가지 재료 모델(Cowper-Symonds, Johnson-Cook, Modified Johnson-Cook)을 충격 해석에 적용하고자 하였다. 해석에 적용된 재료 모델을 검증하기 위해서 알루미늄 6061 평판에 대한 충격 시험을 진행하였다. 실험과 해석 결과를 비교, 분석한 결과 Modified Johnson-Cook 모델이 가장 적은 오차를 보였다. 끝으로 해당 재료 모델을 터빈 케이스의 컨테인먼트 성능 평가에 적용하여 블레이드의 초기 속도에 따른 관통 여부와 충돌 부위에서 발생한 응력과 변형률을 제시하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we used finite element analysis to conduct a containment capability evaluation of a turbine case. When analyzing the impact behavior of structures subjected to impact loads, it is important to consider the strain rate, as it affects the increase in flow stress. Therefore, we applied three material models (Cowper-Symonds, Johnson-Cook, and Modified Johnson-Cook) for the impact analysis. To validate these material models, we performed an impact test on an aluminum 6061 plate. By comparing and analyzing the experimental and analytical results, we determined that the Modified Johnson-Cook material model exhibited the least error. As a result, we applied this material model to evaluate the containment capability of the turbine case. This evaluation involved determining the occurrence of penetration, as well as the stress and strain induced at the collision area due to the initial velocity of the blade.

주제어

표/그림 (22)

표 Table 1 Comparison of Material Models Based on Strain Rate Effect, Thermal Effect, and Inclusion of Failure Model
그림 Fig. 1 Finite Element Model of Aluminum 6061 Plate
그림 Fig. 2 Geometry of Blade and Containment Case
그림 Fig. 3 Finite Element Model of Containment Case
표 Table 2 Material Properties of Aluminum 6061 and AISI 1045
표 Table 3 Parameters of Mie-grüneisen Equation of State of Aluminum 6061
그림 Fig. 4 Equipment of High Velocity Impact Test
그림 Fig. 5 Two-piece Split Sabot used for Holding and Releasing Sphere Projectile during Impact Test
그림 Fig. 6 The Moment of Releasing of Sphere Projectile from Sabot during Impact Test
그림 Fig. 7 Results of Impact Analysis (8 mm, 215 m/s)
그림 Fig. 8 Plug Created by Penetration (8 mm)
그림 Fig. 9 Penetration Shape after Impact (8 mm, 215 m/s)
그림 Fig. 10 Thickness vs Kinetic Energy of Impact Tests and Analysis
표 Table 4 Kinetic Energy of Projectile and Determination of Penetration
표 Table 5 Kinetic Energy of Projectile for Various Material Models
그림 Fig. 11 Von Mises Stress Contour of Case and Blade (Initial Velocity of Blade= 200 m/s)
그림 Fig. 12 Von Mises Stress Contour of Case and Blade (Initial Velocity of Blade= 250 m/s)
그림 Fig. 13 Shape of Case at 0.504 ms
그림 Fig. 14 Variation of Blade’s Kinetic Energy with respect to Time
그림 Fig. 15 Variation of Stress in Elements with respect to Time
표 Table 6 Determination of Penetration and Maximum Stress
그림 Fig. 16 Variation of Strain in Elements with respect to Time

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