[논문]응력동결법에 의한 고압기밀용 오링의 주응력 해석

남정환; 황재석; 김영탁; 박성한; 신동철

응력동결법에 의한 고압기밀용 오링의 주응력 해석
Analysis of Principal Stresses of O-Ring under Uniform Deformation and Internal Pressure by Stress Freezing Method 원문보기

남정환 (영남대) , 황재석 (영남대) , 김영탁 (영남대 원) , 박성한 (국과연) , 신동철 (부산대)

In this research, stress components and principal stresses of O-ring under internal pressure and under uniform squeeze rate were obtained from the stress freezing method of photoelastic experiment and photoelastic experimental Hybrid method for 3-dimensional problems. The obtaining processes of those were introduced. It was certified that the processes of those are effective for the 3-dimensional stress analysis of structures. Stress freezing method, the obtaining processes of those and photoelastic experimental hybrid method were effectively applied to the stress analysis of O-ring made from rubber that under uniform deformation and internal pressure. Stress components and principal stress of Oring under uniform squeeze rate and under internal pressure were analyzed.

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문제 정의

본 연구를 통하여 일정한 압축률과 내압을 동시에 받는 고압 기밀용 오링의 응력동결법에 의한 3차원 응력상태에 대하여 연구되었으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
또한 오링의 실제 조립상태는 내압이 작용할 때는 측면구속이 되지만 내압이 작용하기 전에는 오링의 측면이 완전히 구속되지는 않는다. 본 연구에서는 실제 조립조건에 의한, 즉 압축변형율의 변화에 따른 오링의 응력장을 해석할 수 있는 응력동결용 광탄성 실험장치를 개발하고 응력동결법용 광탄성실험 하이브릿법을 개발하였다. 그리고 본 연구에서 개발된 응력동결용 광탄성 실험 하이브릿법을 이용하여 접촉응력, 오링 내부의 응력장과 응력성분, 주응력 등을 구하여 오링의 3 차원 응력상태를 해석하고자 한다.

제안 방법

본 연구에서는 실제 조립조건에 의한, 즉 압축변형율의 변화에 따른 오링의 응력장을 해석할 수 있는 응력동결용 광탄성 실험장치를 개발하고 응력동결법용 광탄성실험 하이브릿법을 개발하였다. 그리고 본 연구에서 개발된 응력동결용 광탄성 실험 하이브릿법을 이용하여 접촉응력, 오링 내부의 응력장과 응력성분, 주응력 등을 구하여 오링의 3 차원 응력상태를 해석하고자 한다. 이렇게 구한 각 평면의 주응력으로 오링의 임의의 지점에 대한 등가 상당응력을 평가하여 최적설계와 파괴기준 등의 기초데이터로 이용될 수 있다.
따라서 실제 오링의 치수와 동일한 환형 오링 금형을 제작하였고, 이를 이용하여 오링의 실리콘주형을 제작한 후, 이 주형에 에폭시 수지를 주입하여 성형하여 에폭시로 된 오링을 주형하였다.
광탄성 실험용 박편 시험편을 제작하여 그 시편을 사용한 광탄성 실험결과는 8 군데 모두 거의 동일한 등색선 무늬를 나타내었다. 또한 Video Microscope 이용하여 40 배 확대한 후 각각의 압축율에 대한 접촉 길이를 측정하였다. 각 접촉부의 접촉길이는 8 군데 모두 거의 동일한 접촉길이를 나타내고 있으며, 그러므로 응력동결용 하중장치가 원주방향으로 동일한 압축율을 가하였고 정확하게 조립되었으며 유효한 장치임을 알 수 있다.
본 연구에서는 오링을 Epoxy 수지로 제작하여 모델로 사용하고, 응력동결법과 광탄성 실험법으로 오링의 응력상태와 변형조건을 연구하였다. 에폭시 수지 시편은 glass 전이역에서 하중조건에 의한 변형과 응력을 동결시킬 수 있으므로 하중 조건에 따른 고무 오링의 변형을 정지할 수 있다.
응력동결된 오링 시험편을 각각 45°방향을 기준으로 8 군데에서 두께 1mm 로 Slice 를 취하였다.
응력 동결된 시편, 즉 오링을 45° 방향을 기준으로 두께가 약 1mm 정도 되도록 8 개의 시편을 절취한다. 이렇게 절취된 시편을 투과형 광탄성 실험장치를 사용하여 등색선 무늬를 촬영하였다. 본 연구에 사용된 광탄성 실험장치는 투과형 광탄성 실험장치이다.
임의의 지점에서의 응력성분과 주응력을 구하기 위하여 그 점들을 중심으로 서로 수직인 3 개 면에서의 응력들을 구해야 하므로 본 연구에서는 Fig. 7 에 나타낸 것과 같이 이런 점들을 중심으로 한 서로 수직인 면의 주응력값, 즉 중심점의 주응력값을 오링 해석용 광탄성 실험 하이브릿법을 통하여 Fig. 8 에 각각의 응력성분의 일례를 나타내 었고 각 점들의 주응력을 구하였다.

대상 데이터

등색선 무늬 내부의 “+”표시는데이터 측정 위치를 나타낸다. 데이터는 흰 무늬 차수의 중심선상에서 측정되었다. 우측의 그래픽상에서도 거의 중심선 상에 존재한다.
또한 본 연구에 사용되는 광탄성실험 재료, 즉 시바 사(CIBA-GEIGY Co.)의 Araldite 와 경화제인 HT-903 을 중량비 10 : 3 으로 혼합하여 성형한 에폭시(Epoxy)수지이다. 오링 단면의 직경은 6.
이렇게 절취된 시편을 투과형 광탄성 실험장치를 사용하여 등색선 무늬를 촬영하였다. 본 연구에 사용된 광탄성 실험장치는 투과형 광탄성 실험장치이다.
응력 동결된 시편, 즉 오링을 45° 방향을 기준으로 두께가 약 1mm 정도 되도록 8 개의 시편을 절취한다.

성능/효과

(1) 개발된 오링의 응력 동결용 광탄성 실험장치가 유효하다는 것을 확인하였다.
(2) 오링에 일정한 압축률이 작용하는 경우와 일정한 압축률과 내압을 동시에 받는 오링의 y-z 평면 외의 다른 두 개의 평면, 즉 x-y 평면과 x-z 평면에도 응력이 존재한다는 것을 광탄성실험으로 증명하였다.
(3) 압축률만 작용할 때와 압축과 내압이 동시에 작용할 때 오링 내부 임의의 지점의 응력 상태를 해석할 수 있는 오링의 3 차원 응력 해석용 광탄성실험 하이브릿법이 개발되었고 그 유효성도 확인되었다.
(4) 본 연구에서 개발된 오링의 3 차원 응력해석용 광탄성실험 하이브릿법으로 압축률만 작용할 때와 압축과 내압이 동시에 작용할 때 오링 내부임의의 지점의 주응력, 최대전단응력과 상당응력 그리고 응력분포도, 그래픽등색선무늬 등을 구할 수 있는 방법이 제시되었다.
또한 Video Microscope 이용하여 40 배 확대한 후 각각의 압축율에 대한 접촉 길이를 측정하였다. 각 접촉부의 접촉길이는 8 군데 모두 거의 동일한 접촉길이를 나타내고 있으며, 그러므로 응력동결용 하중장치가 원주방향으로 동일한 압축율을 가하였고 정확하게 조립되었으며 유효한 장치임을 알 수 있다.
응력동결된 오링 시험편을 각각 45°방향을 기준으로 8 군데에서 두께 1mm 로 Slice 를 취하였다. 광탄성 실험용 박편 시험편을 제작하여 그 시편을 사용한 광탄성 실험결과는 8 군데 모두 거의 동일한 등색선 무늬를 나타내었다. 또한 Video Microscope 이용하여 40 배 확대한 후 각각의 압축율에 대한 접촉 길이를 측정하였다.
모든 경우에서 “ +” 는 흰 무늬의 중심선 상에 존재하므로 오링에 대한 3 차원 응력동결용 광탄성 실험 Hybrid 법이 유효하다는 것이 증명되었다.
에서 알 수 있듯이 Hertz 접촉이론에 의한 응력성분과 응력동결 광탄성실험 Hybrid 법에 의하여 구하여 진 응력성분들이 거의 일치하고 있다. 이는 오링의 응력분포와 응력성분을 해석하는데 있어서 본 연구에서 개발한 외부 자유경계를 가진 경우의 광탄성실험 Hybrid 법이 매우 유효하다는 것이 확인되었다.
우측의 그래픽상에서도 거의 중심선 상에 존재한다. 즉, 상부 접촉부와 하부 접촉부 모두 실제의 광탄성 등색선 무늬와 광탄성실험 Hybrid 법을 이용하여 얻은 그래픽과 거의 일치하는 것을 알 수 있다. 모든 경우에서 “ +” 는 흰 무늬의 중심선 상에 존재하므로 오링에 대한 3 차원 응력동결용 광탄성 실험 Hybrid 법이 유효하다는 것이 증명되었다.

후속연구

그리고 본 연구에서 개발된 응력동결용 광탄성 실험 하이브릿법을 이용하여 접촉응력, 오링 내부의 응력장과 응력성분, 주응력 등을 구하여 오링의 3 차원 응력상태를 해석하고자 한다. 이렇게 구한 각 평면의 주응력으로 오링의 임의의 지점에 대한 등가 상당응력을 평가하여 최적설계와 파괴기준 등의 기초데이터로 이용될 수 있다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

금속과 오링(O-Ring)의 조립에 있어서 오링의 실제 범위를 정하기 위해 무엇을 할 필요가 있는가?

이러한 조립조건과 내압조건에 따른 다양한 하중조건에 대하여 오링의 응력장을 확인하여야만 고압에 대한 기밀유지와 그 파괴조건 및 안전하게 사용할 수 있는 설계범위를 정할 수 있다. 오링의 실제 변위를 정하기 위해서는 내압이 작용하고 일정한 압축을 받는 오링의 응력상태를 정확하게 해석할 필요가 있다. 내압이 작용하는 하중조건에서 오링을 광탄성 실험으로나 이론적으로 응력해석할 경우, 응력동결 실험 및 광탄성실험의 난이도가 매우 높아 주로 하중작용 조건을 단순화하거나, 대부분 수치해석을 한다.

고무 오링(O-Ring)은 어디서 사용되는가?

고무 오링(O-Ring)은 고압이 작용하는 압력용기, 항공기 부품, 유압부품, 원자력 발전, 고체연료 추진 로켓 등의 기밀용으로 사용되고 있다. 금속과 오링(O-Ring)의 조립에 있어서 오링에는 조립에 의한 압축력과 내부의 고압이 작용하고 있다.

금속과 오링(O-Ring)의 조립에 있어서 오링에는 무엇이 작용하는가?

고무 오링(O-Ring)은 고압이 작용하는 압력용기, 항공기 부품, 유압부품, 원자력 발전, 고체연료 추진 로켓 등의 기밀용으로 사용되고 있다. 금속과 오링(O-Ring)의 조립에 있어서 오링에는 조립에 의한 압축력과 내부의 고압이 작용하고 있다. 이러한 조립조건과 내압조건에 따른 다양한 하중조건에 대하여 오링의 응력장을 확인하여야만 고압에 대한 기밀유지와 그 파괴조건 및 안전하게 사용할 수 있는 설계범위를 정할 수 있다.

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