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문제 정의
- 본 논문에서는 세계 최대 크기인 두 엔진에 대해 실린더 커버 스터드의 구조 거동 분석과 설계 개선에 대한 강도 평가를 실시하였다. 응력계측을 실시하여 스터드의 거동을 확인하였고, 구조해석으로 구한 값을 계측 결과와 비교하였다.
제안 방법
- 또한, 볼트의 피로강도를 경험식을 사용하여 계산하였다[3~5]. 4 절의 구조해석에서 구한 스터드의 응력집중계수를 사용하고 참고문헌으로부터 피로노치계수(notch factor)를 구하였다. 볼트에 대해 구한 노치계수는 6.
- 동일 부하조건에서 시간 간격을 두고 2~3 회 계측을 실시하였다. 동일조건에서의 계측신호를 비교한 결과, 계측결과들간에 차이가 거의 없는 것으로 판단되었으므로 나중에 계측된 값을 사용하여 분석하였다.
- 또한, 볼트의 피로강도를 경험식을 사용하여 계산하였다[3~5]. 4 절의 구조해석에서 구한 스터드의 응력집중계수를 사용하고 참고문헌으로부터 피로노치계수(notch factor)를 구하였다.
- 최근에 원자재 가격의 상승이 두드러지는데, 특히 고가의 니켈 때문에 스테인레스 강재의 가격도 함께 상승하고 있는 실정이다. 본 스터드도 니켈을 함유하므로 사용 재질의 변경 가능성을 검토하였으며, 또한 스터드의 크기 축소, 가공면의 축소 등을 함께 고려하였다.
- 체결상태 및 운전중 상태에 대해 응력집중계수를 쉽게 파악할 수 있게 해석조건을 설정하였다. 부품간의 접촉을 고려하였고 응력집중 현상을 잘 나타내기 위하여 관심부를 세밀히 모델링하였다.
- 스터드 재료에서 시험편을 채취하여 인장시험 및 피로시험을 수행하였다. 피로시험은 평활재 및 노치재에 대해 회전굽힘 시험을 실시하였다.
- 스터드의 체결, 온도 분포에 의한 열응력, 폭발하중에 의한 변동 응력 등 엔진의 작동상태를 고려하여 해석을 실시하였고, 각 하중이 작용하는 조건을 단계별로 해석하였다. 스터드가 초기 체결 되고 너트로 고정되어 이후의 하중을 받는 거동을 모사하였다. 해석 결과 구한 체결 때의 전체 응력 분포와 스터드에서의 폭발압에 의한 변동응력 분포를 Fig.
- 스터드의 나사부 크기를 다소 작게 하고 스템(stem)부의 치수도 함께 축소하는 방안과, 현재 가공면인 스템부를 비가공 처리하는 설계 변경안의 영향도 평가하였다. 비가공일 경우의 노치효과가 나사산의 노치보다 영향이 작으므로 스템부의 비가공 처리는 스터드 전체의 피로강도에 변화를 주지 않는 것으로 평가되었다.
- 스터드의 응력집중 상태를 파악하기 위하여 2차원 축대칭 모델을 구성하여 구조해석을 수행하였다. 해석 모델은 스터드와 실린더 커버의 일부분 및 너트를 포함하여 Fig.
- 스터드의 재료가 SNCM439 에서 SCM440 으로 바뀌는 경우를 검토하였다. 두 재료 모두 엔진의 부품용으로 많이 쓰이는 고강도 재질이다.
- 스터드의 체결, 온도 분포에 의한 열응력, 폭발하중에 의한 변동 응력 등 엔진의 작동상태를 고려하여 해석을 실시하였고, 각 하중이 작용하는 조건을 단계별로 해석하였다. 스터드가 초기 체결 되고 너트로 고정되어 이후의 하중을 받는 거동을 모사하였다.
- 구조부재의 일차적인 목적은 안전이고, 이를 바탕으로 과도하지 않은 수준의 안전 여유를 가지는 설계 최적화가 이루어져야 한다. 실린더 커버 스터드의 구조 거동 분석과, 이를 이용한 설계변경을 목적으로 실시된 응력계측과 구조해석 결과 다음의 결론을 얻었다.
- 엔진의 전체 체결구조내에서 스터드가 거동하는 특성을 파악하기 위하여 주변 구조의 모든 부품을 포함한 해석을 실시하였다. 실린더 커버, 너트와 함께 라이너(liner), 지지 링(supporting ring) 및 실린더 자켓(cylinder jacket)을 고려한 해석을 수행하였다. 해석모델은 평면내에서 구성되었으나 3 차원 적인 특성이 최대한 반영되도록 고려해주었다.
- 엔진의 시운전중에 계측한 운전상태 응력은 엔진의 부하를 증가시키며 계측하였다. 부하 조건은 정격 출력의 25~110 % 까지 단계적으로 증가시켰으며, 부하조건에 따라 엔진 회전수와 실린더내 연소압력이 변하게 된다.
- 엔진의 전체 체결구조내에서 스터드가 거동하는 특성을 파악하기 위하여 주변 구조의 모든 부품을 포함한 해석을 실시하였다. 실린더 커버, 너트와 함께 라이너(liner), 지지 링(supporting ring) 및 실린더 자켓(cylinder jacket)을 고려한 해석을 수행하였다.
- 진동과 온도 변화에 의한 영향도 일부 포함되나 변동응력을 계측하는 목적에서는 계측되는 변형률값이 연소실내 폭발압의 변화에 모두 해당된다고 판단해도 좋다. 연소로 인한 폭발압이 규칙적으로 반복되므로 시간에 따른 응력의 변화를 최대값, 최소값, 변동폭을 사용하여 정리하였다. Fig.
- 응력계측과 피로시험, 구조해석으로 파악한 스터드의 강도 및 거동 특성을 이용하여 설계변경을 모색하고 제조원가를 절감할 수 있는 방법을 검토하였다. 최근에 원자재 가격의 상승이 두드러지는데, 특히 고가의 니켈 때문에 스테인레스 강재의 가격도 함께 상승하고 있는 실정이다.
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3.1 체결 상태 응력
응력계측은 엔진 조립과 시운전때 스트레인 게이지를 사용하여 정적 및 동적응력을 계측하였다. 스터드는 너트를 이용하여 유압으로 체결하는데 이로 인해 스터드에 비틀림에 의한 전단응력은 유발되지 않는다.
- 스터드 재료에서 시험편을 채취하여 인장시험 및 피로시험을 수행하였다. 피로시험은 평활재 및 노치재에 대해 회전굽힘 시험을 실시하였다. 노치 시험편의 형상을 Fig.
대상 데이터
- 검토대상이 된 엔진은 실린더의 직경이 각각 960, 980 mm 인 두 엔진 (A & B 엔진) 모델이다.
- 스터드의 재질은 고강도강인 SNCM439 이며 재료의 기계적 특성치를 유사 재질인 SCM440 과 함께 Table 1 에 정리하였다. 스터드는 압연(rolling)으로 만들어진 원소재를 황삭과 열처리(Q/T), 정삭 및 전조를 거쳐 제작된다.
- 특히, 세계 최대 규모인 실린더 지름이 960~980 mm 인 엔진의 경우에는 출력이 최대 10 만 마력에 달하고 크기도 무게 2,500 톤, 길이 25 m에 이른다. 이에 따라 각 부품의 크기도 대형인데 본 연구의 대상인 실린더 커버 스터드(이하 스터드)만 하더라도 무게가 최대 200 kg 이상인 대형의 구조 부품이다. 실린더 커버 스터드는 실린더 커버와 라이너를 엔진의 프레임에 고정하여 엔진의 연소실을 형성하게 하는 역할을 하고 있다.
데이터처리
- 본 논문에서는 세계 최대 크기인 두 엔진에 대해 실린더 커버 스터드의 구조 거동 분석과 설계 개선에 대한 강도 평가를 실시하였다. 응력계측을 실시하여 스터드의 거동을 확인하였고, 구조해석으로 구한 값을 계측 결과와 비교하였다. 계산 결과는 원가절감을 위한 설계 변경의 중요한 자료로 활용되었다.
이론/모형
- 볼트의 피로강도는 VDI2230[2]에서 제시하고 있는 식에 따라 구하였다. 볼트의 호칭지름 d 에 대해 피로강도는 제조과정에 따라 식 (1)과 같이 표현하는데, 고강도 재질인 가는 눈 나사의 경우 피로강도가 수식보다 최대 30 % 정도 감소할 수 있으므로 이를 반영하면 두 종류의 볼트에 대한 피로강도는 40 MPa 정도이다.
성능/효과
- (1) 스터드는 매우 높은 응력비 상태에서 외력을 받고 있으나 변동응력이 작은 수준이어서 충분한 피로 안전율을 가지는 것으로 나타났다.
- (2) 스터드와 주변 부품을 모두 포함한 구조해석 결과 응력계측과 매우 유사한 결과를 얻었다. 그러나, 응력집중계수를 구하기 위한 소형 상세 모델을 사용한 해석에서는 해석조건의 작은 변화가 결과에 큰 영향을 끼치는 것으로 나타나, 해석 모델이 실제 조건을 잘 반영하도록 하는 것이 매우 중요함을 알 수 있었다.
- (3) 원가절감을 목적으로 실시한 설계변경 가능성의 검토 결과, 3 가지 개선방안의 적용에 무리가 없으며 개선효과는 클 것으로 예측되었다.
- 이러한 사실과 Table 3의 피로시험 결과를 참고하면 재료 변경이 스터드의 피로강도에 미치는 영향은 크지 않을 것으로 예측할 수 있다. SCM440 으로 재료가 변경될 경우 정적강도와 피로강도는 10 % 내외의 안전율 감소를 나타내었는데, 현재의 안전계수 크기를 고려하면 재료 변경후에도 스터드의 강도는 충분할 것으로 판단되었다.
- 또한 스터드의 크기 축소는 체결응력의 증가로 인한 스터드의 피로강도 변화, 내외력비의 변화와 나사부의 변동응력 변화를 유발하는데 결과적으로 피로 안전율을 10 % 정도 감소시키는 효과가 있는 것으로 추정되었다. 결국, 모든 설계 변경안을 적용하는 경우에도 스터드의 피로강도 감소는 감내할만한 수준인 것으로 여겨졌으며, 이러한 설계 변경안을 적용하면 재료비를 절반으로 줄일 수 있고 전체 원가도 상당히 절감할 수 있는 것으로 평가되었다.
- 계측결과 유압체결 상태에서 발생하는 계측점의 평균 축응력은 약 560 (A), 320 (B) MPa 이고, 너트 체결 상태에서 발생하는 평균 축응력은 다소 감소 하였다. 볼트마다의 응력의 차이는 거의 없었으며, 굽힘응력도 2~3 % 수준으로 거의 발생하지 않았다.
- (2) 스터드와 주변 부품을 모두 포함한 구조해석 결과 응력계측과 매우 유사한 결과를 얻었다. 그러나, 응력집중계수를 구하기 위한 소형 상세 모델을 사용한 해석에서는 해석조건의 작은 변화가 결과에 큰 영향을 끼치는 것으로 나타나, 해석 모델이 실제 조건을 잘 반영하도록 하는 것이 매우 중요함을 알 수 있었다.
- 관심부의 응력은 해석 모델의 구성, 요소의 크기, 마찰계수의 설정 등에 따라 많이 변하는데, 마찰계수가 크고 주변 구조의 변형이 작을수록 응력집중이 증가하였다. 따라서, 정확한 응력값의 계산을 위해서는 대표적인 치수나 조건에 대한 일반적인 계산이 아니라 해석 대상의 상태를 정확히 반영한 모델의 구성이 필수적임을 확인하였다.
- 비가공일 경우의 노치효과가 나사산의 노치보다 영향이 작으므로 스템부의 비가공 처리는 스터드 전체의 피로강도에 변화를 주지 않는 것으로 평가되었다. 또한 스터드의 크기 축소는 체결응력의 증가로 인한 스터드의 피로강도 변화, 내외력비의 변화와 나사부의 변동응력 변화를 유발하는데 결과적으로 피로 안전율을 10 % 정도 감소시키는 효과가 있는 것으로 추정되었다. 결국, 모든 설계 변경안을 적용하는 경우에도 스터드의 피로강도 감소는 감내할만한 수준인 것으로 여겨졌으며, 이러한 설계 변경안을 적용하면 재료비를 절반으로 줄일 수 있고 전체 원가도 상당히 절감할 수 있는 것으로 평가되었다.
- 스터드의 나사부 크기를 다소 작게 하고 스템(stem)부의 치수도 함께 축소하는 방안과, 현재 가공면인 스템부를 비가공 처리하는 설계 변경안의 영향도 평가하였다. 비가공일 경우의 노치효과가 나사산의 노치보다 영향이 작으므로 스템부의 비가공 처리는 스터드 전체의 피로강도에 변화를 주지 않는 것으로 평가되었다. 또한 스터드의 크기 축소는 체결응력의 증가로 인한 스터드의 피로강도 변화, 내외력비의 변화와 나사부의 변동응력 변화를 유발하는데 결과적으로 피로 안전율을 10 % 정도 감소시키는 효과가 있는 것으로 추정되었다.
- 7 에 나타내었다. 스터드의 길이 방향으로 평균응력이 감소하고, 관심부(첫번째 접촉 나사산의 골 위치)의 응력집중이 극도로 심한 것을 알 수 있었다. 응력 집중계수는 6~8 로 계산되었는데, 이 값은 참고문헌[5]의 결과보다 최소 20 % 정도 작은 값이다.
- 2 에 나타내었고, 시험 결과는 Table 2~3 에 나타내었다. 시험결과를 보면 모든 특성치가 SNCM439 가 우수함을 알 수 있다.
- 유압이 제거되며 너트체결로 바뀔 때 체결력은 약 4~7 % 감소하는 것으로 나타났다. 평균 축응력은 수계산값과 3 % 정도 차이를 보였는데 이는 탄성계수 사용의 차이와 계측 및 체결의 오차로 여겨졌다.
- 유압이 제거되며 너트체결로 바뀔 때 체결력은 약 4~7 % 감소하는 것으로 나타났다. 평균 축응력은 수계산값과 3 % 정도 차이를 보였는데 이는 탄성계수 사용의 차이와 계측 및 체결의 오차로 여겨졌다. 체결응력은 최소 지름위치에서 항복응력 대비 40~70 % 정도이고, B 엔진의 경우에 상대적으로 작게 나타났는데 이는 O-ring 삽입과 관련한 것으로 판단된다.
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