[논문]수압시험을 이용한 밸브의 강도평가

이소담; 고준복; 박용수; 김성수; 백기봉; 서석훈; 하동성

[국내논문] 수압시험을 이용한 밸브의 강도평가
Hydraulic Test for Strength Evaluation of Valve

이소담 ((주)한화 종합연구소) , 고준복 ((주)한화 종합연구소) , 박용수 ((주)한화 종합연구소) , 김성수 ((주)한화 종합연구소) , 백기봉 ((주)한화 종합연구소) , 서석훈 ((주)한화 종합연구소) , 하동성 (국방과학연구소)

연소 중 고압의 환경에 노출되는 밸브의 구조적 강도를 평가하기 위해 수압시험을 수행하였다. 수압 시험에서의 보증압력은 MEOP의 1.05배를 적용하였다. 총 2조의 밸브로 수압시험을 수행하였으며, 시험 시 가압조건에 따른 밸브의 변형률 계측결과를 유한요소해석 결과와 비교 검증하였다. 유한요소해석과 수압시험 결과의 오차는 약 20%이내이며, 소성변형은 발생하지 않았다.

Hydraulic test was conducted to evaluate the structural strength of valve exposed to high pressure environment during combustion progress. For the proof pressure, 1.05 times higher pressure than MEOP was applied in the hydraulic test. Two units of valves were used in the hydraulic test. The result for measured strain of the valve dependent on the pressurization conditions during the test were verified comparing with the results for the finite element analysis. Observing the difference between the results for the finite element analysis and the hydraulic test, the difference was within 20% error and the plastic deformation was not generated.

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문제 정의

본 논문에서는 고압조건에서의 밸브 구조강도를 평가하기 위해 수압시험 및 유한유소해석을 수행하여 그 결과를 비교하였다.
본 논문에서는 이러한 밸브의 구조적 강도를 평가하기 위해 수압시험을 수행하였다. 수압시험 전 설계한 밸브 하우징 및 치구 모델에 대해 유한요소해석을 통해 강도를 확인하고, 시험 시 변형률 측정을 위해 스트레인 게이지 부착위치를 선정하였다.

제안 방법

수압시험 전 설계한 밸브 하우징 및 치구 모델에 대해 유한요소해석을 통해 강도를 확인하고, 시험 시 변형률 측정을 위해 스트레인 게이지 부착위치를 선정하였다. 또한 수압시험 시 압력에 따른 변형률 계측 결과와 유한요소해석에서의 변형률 결과를 비교 검증하였다.
또한, 볼트 체결에 의한 체결효과를 고려하기 위해 beam 요소에 볼트체결에 의한 예하중 (pre-load)을 부가하였다. 예하중의 계산은 아래의 Eq.
수압시험 수행 전 설계한 밸브 및 시험 치구에 대해 시험과 동일한 조건으로 유한요소해석을 하였고, 소성변형이 발생하지 않을 것으로 예측하였다. 또한, 시험 시 밸브에 발생하는 변형률을 측정하기 위해 스트레인게이지를 부착하였다. 부착 위치는 유한요소해석 결과를 바탕으로 위치에 따른 변형률의 구배가 크지 않는 곳으로 선정하였고, 밸브 한 조당 두 개의 스트레인게이지를 부착하였다.
1에 나타내었다. 밸브하우징 이외의 빗금으로 표현된 시험 치구는 실제 연소 시험 시 사용되는 부품의 조립개념과 동일하도록 설계되었다. 수압시험 시 물이 들어오고 빠져 나가는 Inlet과 Outlet의 방향은 연소가스가 밸브로 유입되고 빠져나가는 방향과 동일하다.
요소의 종류는 C3D4로 총 절점 345,551개, 총 요소 1,740,354개를 사용하였다. 밸브하우징과 치구의 조립을 위해 사용된 볼트 체결부는 Beam 요소로 모델링하였다.
수압시험 수행 전 설계한 밸브 및 시험 치구에 대해 시험과 동일한 조건으로 유한요소해석을 하였고, 소성변형이 발생하지 않을 것으로 예측하였다. 또한, 시험 시 밸브에 발생하는 변형률을 측정하기 위해 스트레인게이지를 부착하였다.
수압시험 시 스트레인게이지를 통해 계측한 변형률과 유한요소해석에서의 변형률 결과를 비교하였다. Fig.
수압시험 전 설계한 밸브 하우징 및 치구 모델에 대해 유한요소해석을 통해 강도를 확인하고, 시험 시 변형률 측정을 위해 스트레인 게이지 부착위치를 선정하였다.
총 2조의 밸브에 대해 수압시험을 수행하였고, 시험 시 계측한 변형률 결과를 유한요소해석 결과와 비교하였다. 시험 계측 값과 유한요소해석값의 오차는 최대 20%내외로 유사함을 확인하였 다.

대상 데이터

계측에 사용된 스트레인게이지는 0도, 45도, 90도 간격으로 구성된 Rosette type으로 저항은 350.0Ω±0.6% 이며, 게이지 factor는 +2.11±0.20이다.
2와 같이 시험의 구성과 동일하게 모델링하였다. 요소의 종류는 C3D4로 총 절점 345,551개, 총 요소 1,740,354개를 사용하였다. 밸브하우징과 치구의 조립을 위해 사용된 볼트 체결부는 Beam 요소로 모델링하였다.
5는 밸브하우징의 변형률 분포를 나타낸다. 이 결과를 통해 위치 A, B와 같이 스트레인게이지 부착 위치를 선정하였다. 부착위치 선정기준은 위치에 따라 변형률의 구배가 크지 않은 위치이다.

데이터처리

유한요소해석 모델은 상용 해석프로그램인 ABAQUS를 사용하여 Fig. 2와 같이 시험의 구성과 동일하게 모델링하였다. 요소의 종류는 C3D4로 총 절점 345,551개, 총 요소 1,740,354개를 사용하였다.

성능/효과

두 시험 모두 유한요소해석과의 오차는 20% 내외로, 유사한 경향을 보인다는 것을 확인할 수 있었다.
총 2조의 밸브에 대해 수압시험을 수행하였고, 시험 시 계측한 변형률 결과를 유한요소해석 결과와 비교하였다. 시험 계측 값과 유한요소해석값의 오차는 최대 20%내외로 유사함을 확인하였 다. 시험 및 유한요소해석 모두 원주방향으로의 변형률이 가장 크게 발생하였으며, 전체적으로 시험에서 계측한 변형률이 유한요소해석 결과보다 크게 나타났다.
시험 계측 값과 유한요소해석값의 오차는 최대 20%내외로 유사함을 확인하였 다. 시험 및 유한요소해석 모두 원주방향으로의 변형률이 가장 크게 발생하였으며, 전체적으로 시험에서 계측한 변형률이 유한요소해석 결과보다 크게 나타났다.
유한요소해석과 수압시험 모두 원주(Hoop)방향의 변형률을 측정하는 Gauge No. 1 및 Gauge No. 4에서 가장 큰 변형률이 나타났다. 전체적으로 시험 시 계측한 변형률이 유한요소 해석 결과보다 높은 경향을 보인다.
4에서 가장 큰 변형률이 나타났다. 전체적으로 시험 시 계측한 변형률이 유한요소 해석 결과보다 높은 경향을 보인다.

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