[논문]선상 가열시 수냉 효과를 고려한 강판의 변형 추정에 관한 연구

황보혁; 양박달치

문제 정의

본 논문에서는 선상가열시 수냉 효과에 대한 강판의 변형을 실험 결과와 수치해석 결과의 비교를 통하여 고찰해 보았다. 강판 위에 가열과 수냉이 동시에 진행되는 실험에 대해 입 열량이 다른 두 열원으로 모델링하여 해석을 수행하였다.
본 논문에서는 수냉을 포함한 선상가열시 강판의 변형에 대해 해석적인 방법에 의한 추정 방법을 제안하고 실험을 통하여 그 타당성을 검증하였다. 해석도구로는 상용 구조해석 프로그램인 ABAQUS를 이용하였다.

가설 설정

가정하였다. 물분사에 의한 모델은 또 하나의 마이너스 열원을 가지는 열속함수로 가정하였다 이는 토치의 열속 함수와 수냉 모델에 대한 열속함수에 대해 Fig. 2에서 나타낸 것과 같이 이중극을 가진 분포로 Fig. 3에 나타내었다
토치의 의한 열원의 열속함수는 Guass분포 형상으로 가정하였다. 물분사에 의한 모델은 또 하나의 마이너스 열원을 가지는 열속함수로 가정하였다 이는 토치의 열속 함수와 수냉 모델에 대한 열속함수에 대해 Fig.

제안 방법

해석도구로는 상용 구조해석 프로그램인 ABAQUS를 이용하였다. 가열에 뒤따르는 수 냉을 열원과 물분사, 2개의 열원으로 모델링하여 열전달 해석과 열 탄 소성 해석을 단계적으로 수행하였다. 수냉을 포함한 실험 결과를 통하여 판의 온도와 변형량을 비교하여 본 연구의 모델링 방법이 만족스러움을 확인하였다.
강판 위에 가열과 수냉이 동시에 진행되는 실험에 대해 입 열량이 다른 두 열원으로 모델링하여 해석을 수행하였다. 수치해석 결과인 온도와 변형값은 실험값과 비교하여 잘 일치함을 보였다.
8은 수냉을 포함한 CF06 모델의 온도 변화를 수치해석 결과와 비교한 것이다. 또한, 같은 열원의 속도를 갖는 공랭일 때의 결과값과 비교했다. 최고온도는 다소 큰 차이를 보이지 않았지만 공랭의 경우는 온도 변화가 수냉에 비해 완만한 기울기를 보이지만 수냉을 포함한 경우, 판의 온도는 급한 기울기로 최고온도까지 오르고 급랭이 되었다.
선상가열시 열전달 해석과 열탄소성 해석은 분리하여 단계적으로 해석하였다. 열전달 해석의 결과로 열원의 이동에 따른 각 시간대별로의 온도분포를 구한 다음 이를 열 하중으로 입력하여 변형을 계산하는 과정을 수행하였다.
실험에 대하여 가열선 주위의 온도 변화를 측정하기 위해 판의 중앙부를 적외선 온도 측정기로 토치가 이동하는 동안 연속적으로 측정하였다. Fig.
해석하였다. 열전달 해석의 결과로 열원의 이동에 따른 각 시간대별로의 온도분포를 구한 다음 이를 열 하중으로 입력하여 변형을 계산하는 과정을 수행하였다.
수치해석 결과를 보여주고 있다. 온도는 판의 중심점에서 계측한 값과 같은 지점의 해석값을 비교했으며 변형값에 대해서도 변형이 심한 끝단부보다 판의 중앙부에서 계측한 값을 비교하였다. 실험결과와 수치해석 결과의 온도의 비는 평균 1.
1에서 보인 바와 같이 모두 시편의 중앙부이다. 총 9개의 모델에 대하여 유량과 가스 압력을 일정하게 유지하면서 토치의 이동속도를 변화시켜 선상가열 실험을 수행하였다. Fig.

대상 데이터

Fig. 4에서 보는 바와 같이 강판의 대칭성을 고려하여 전체 판의 1/2만을 해석 대상으로 선택하였으며 8절점의 SoHd 요소를 사용하였다.
Table 1에 보인 실험모델의 초기변위와 실험 후 변위는 x, y축 방향으로 중앙부는 1(而n, 나머지는 50mm 간격으로 각각 19개 총 209개의 격자점을 두어 계측하였다.
최고온도는 다소 큰 차이를 보이지 않았지만 공랭의 경우는 온도 변화가 수냉에 비해 완만한 기울기를 보이지만 수냉을 포함한 경우, 판의 온도는 급한 기울기로 최고온도까지 오르고 급랭이 되었다. 공랭의 실험값은 전병재 등(2006)의 강판의 선상가열시 이동열원에 대한 온도 분포 실험결과를 사용하였다. 수치해석 결과값은 Fig.
1에 보였다. 모델은 두께가 12mm, 18mm, 20mni의 LxB=500x500mm인 것으로 초기변형이 없는 평판이고 전체 모델에 대해 평판과 토치 사이의 간격은 50mm로 하였다. 가스토치의 지름은 3.
본 연구에서 사용한 모델은 연강판으로 가열선과 수냉에 대한 위치는 Fig. 1에서 보인 바와 같이 모두 시편의 중앙부이다. 총 9개의 모델에 대하여 유량과 가스 압력을 일정하게 유지하면서 토치의 이동속도를 변화시켜 선상가열 실험을 수행하였다.

이론/모형

그 타당성을 검증하였다. 해석도구로는 상용 구조해석 프로그램인 ABAQUS를 이용하였다. 가열에 뒤따르는 수 냉을 열원과 물분사, 2개의 열원으로 모델링하여 열전달 해석과 열 탄 소성 해석을 단계적으로 수행하였다.

성능/효과

7에서 보는 바와 같이 가열선 부위를 최대로 하여 포물선 형태로 변위가 나타났으며 y축 방향의 양끝단부에는 변위가 거의 발생하지 않은 것을 알 수 있다. 또한 전체적으로 가열의 단부효과로 인하여 가열선의 시작점이나 중앙부(x=250mn)에 비해 끝단부(x=500iml)의 변형량이 큰 것을 확인할 수 있다
가열에 뒤따르는 수 냉을 열원과 물분사, 2개의 열원으로 모델링하여 열전달 해석과 열 탄 소성 해석을 단계적으로 수행하였다. 수냉을 포함한 실험 결과를 통하여 판의 온도와 변형량을 비교하여 본 연구의 모델링 방법이 만족스러움을 확인하였다.
특히, 최고온도 지점에서 온도의 변화는 실험값과 거의 일치함을 보였다. 수냉을 포함한 실험에 대한 판의 변형량은 공랭시 선상가열과 같이 단부효과로 인하여 끝단부의 변형량이 시작부나 중앙부보다 더 큰 것을 확인하였다. 이를 열 탄 소성해석 결과와 비교하여 볼 때, 판의 시작부와 중앙부에서의 변형은 잘 일치함을 보였으나 끝단부에서는 단부효과로 인하여 큰 차이를 보였다.
강판 위에 가열과 수냉이 동시에 진행되는 실험에 대해 입 열량이 다른 두 열원으로 모델링하여 해석을 수행하였다. 수치해석 결과인 온도와 변형값은 실험값과 비교하여 잘 일치함을 보였다. 열전달 해석은 수냉시, 열속의 이동에 따라 온도 변화가 뚜렷이 차이가 났다.
온도는 판의 중심점에서 계측한 값과 같은 지점의 해석값을 비교했으며 변형값에 대해서도 변형이 심한 끝단부보다 판의 중앙부에서 계측한 값을 비교하였다. 실험결과와 수치해석 결과의 온도의 비는 평균 1.02로 실험과 수치해석의 최고 온도값은 잘 일치하지만 변위는 모델에 따라 다른 분포를 보인다. 판의 모델 CF02-CF05 는 변형값이 잘 일치하는 반면에 모델 CF0LCF0&CF09는 실험값과 수치 해석값에 차이가 있음을 알 수 있다.
위의 결과로부터 수치해석 결과는 실험결과와 비교하여 좋은 일치를 보였다. 따라서 본 연구에서 수냉에 대한 모델링 방법에 충분한 타당성이 있다고 볼 수 있다.
수냉을 포함한 실험에 대한 판의 변형량은 공랭시 선상가열과 같이 단부효과로 인하여 끝단부의 변형량이 시작부나 중앙부보다 더 큰 것을 확인하였다. 이를 열 탄 소성해석 결과와 비교하여 볼 때, 판의 시작부와 중앙부에서의 변형은 잘 일치함을 보였으나 끝단부에서는 단부효과로 인하여 큰 차이를 보였다. 단부효과에 대한 고찰을 위해서 보다 다양한 경우의 해석과 많은 실험의 추가적인 연구가 필요하다.
열전달 해석은 수냉시, 열속의 이동에 따라 온도 변화가 뚜렷이 차이가 났다. 특히, 최고온도 지점에서 온도의 변화는 실험값과 거의 일치함을 보였다. 수냉을 포함한 실험에 대한 판의 변형량은 공랭시 선상가열과 같이 단부효과로 인하여 끝단부의 변형량이 시작부나 중앙부보다 더 큰 것을 확인하였다.

후속연구

이를 열 탄 소성해석 결과와 비교하여 볼 때, 판의 시작부와 중앙부에서의 변형은 잘 일치함을 보였으나 끝단부에서는 단부효과로 인하여 큰 차이를 보였다. 단부효과에 대한 고찰을 위해서 보다 다양한 경우의 해석과 많은 실험의 추가적인 연구가 필요하다.

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