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제안 방법
- 본 연구에서는 비비례 다중 하중을 받는 중속 디젤엔진의 크랭크축의 하중 특성을 고려하여 피로해석을 수행하였고, 비비례 하중을 비례 하중으로 가정한 일반적인 크랭크축의 피로설계 방법으로 피로해석을 수행하고 이를 비교하였다.
- 기진력 해석으로부터 계산된 하중은 크랭크 핀 중심에 대하여 반경방향 하중과 원주방향 하중으로 분리하여 적용하였으며, 비틀림 토크는 엔진 출력으로 계산된 평균 성분과 비틀림 진동해석으로 계산된 변동 성분으로 나누어 적용하였다.
- 조합하중이 작용할 때 크랭크 핀 필렛부와 저널 필렛부에서 높은 응력이 발생함을 알 수 있다. 변동응력과 평균응력도 핀 필렛과 저널 필렛이 크기 때문에 이 2 개 영역에 대하여 피로해석을 수행하였다.
- 구조해석은 2 가지 하중 조건에 대하여 실시하였다. 첫 번째 하중은 Figure 7 에 나와 있는 각 하중의 최대 및 최소 값이 동일 시점에 발생한다고 가정하여 구조해석을 한 비례 다중 하중 조건이며 두 번째 하중은 Figure 7 에 나와 있는 하중에 따라 각 하중을 크랭크각(crank angle)별로 구조해석한 결과를 조합한 비비례 다중 하중 조건이다.
- 구조해석 결과을 이용한 피로해석은 3 가지 방법으로 나누어 실시하였다. 비비례 하중을 비례하중으로 가정하여 구조해석 결과를 이용한 것으로 첫 번째 방법은 Sines 방법(이하, Method A)이며 두 번째 방법은 von-Mises 방법(이하, Method B) 이다.
- 비비례 하중을 비례하중으로 가정하여 구조해석 결과를 이용한 것으로 첫 번째 방법은 Sines 방법(이하, Method A)이며 두 번째 방법은 von-Mises 방법(이하, Method B) 이다. 세 번째 방법은 실제 엔진이 받은 하중을 그대로 고려한 상태인 비비례 하중 방법이다.
- 중속 디젤엔진 구동부의 핵심 부품인 크랭크축에 대한 피로해석을 수행하였다. 크랭크축에 작용하는 하중 계산 결과를 계측을 통해 검증하였다.
대상 데이터
- 하중 계산의 대상은 Figure 2 에 보이는 바와 같이 실린더 직경(bore)이 320 mm 이고 행정(stroke)길이는 400 mm 인 엔진이다. 실린더당 출력이 500 kW 이고, 기통수에 따라 3000~4500 kW 의 출력을 자랑한다.
데이터처리
- 구조해석을 위한 하중을 계산하기 위해 전체 크랭크축계(crankshaft system)에 대하여 기진력 해석과 비틀림 진동해석을 수행하였으며, 그 결과를 Figure 7 에 나타내었다. 기진력 해석으로부터 계산된 하중은 크랭크 핀 중심에 대하여 반경방향 하중과 원주방향 하중으로 분리하여 적용하였으며, 비틀림 토크는 엔진 출력으로 계산된 평균 성분과 비틀림 진동해석으로 계산된 변동 성분으로 나누어 적용하였다.
- 비비례 다중 하중에 대한 피로해석은 상용 프로 해석 프로그램인 FEMFAT(이하, Method C)[2]을 사용하였다. FEMFAT 프로그램에서는 1 개의 절점에 대하여 여러 면(cutting plane) 상에서 손상(damage)을 계산하고 손상이 가장 큰 면에서 변동응력과 평균응력을 계산하여 피로해석을 수행한다.
- 중속 디젤엔진 구동부의 핵심 부품인 크랭크축에 대한 피로해석을 수행하였다. 크랭크축에 작용하는 하중 계산 결과를 계측을 통해 검증하였다.
이론/모형
- 기진력 해석 모델 및 비틀림 진동해석 모델을이용한 계산 결과의 신뢰성을 검증하기 위해 Figure 5 에 보이는 바와 같이 크랭크 핀 필렛부에 스트레인 게이지를 부착하여 응력을 계측하였다. 고속으로 회전하는 크랭크축의 응력 계측을 위해 무선 계측 시스템(telemetry system)을 사용하였다. Figure 6 은 해석 모델과 계측 결과를 비교하여 그린 것이다.
- 구조해석 결과을 이용한 피로해석은 3 가지 방법으로 나누어 실시하였다. 비비례 하중을 비례하중으로 가정하여 구조해석 결과를 이용한 것으로 첫 번째 방법은 Sines 방법(이하, Method A)이며 두 번째 방법은 von-Mises 방법(이하, Method B) 이다. 세 번째 방법은 실제 엔진이 받은 하중을 그대로 고려한 상태인 비비례 하중 방법이다.
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