http://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2013.14.11.5371

Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 14, No. 11 pp. 5371-5376, 2013

이권희 1* , 장병현 2 1 동아대학교 기계공학과, 2 (주)센트랄

Lightweight Design of a Main Starting Air Valve through FSI Analysis

1 Department of Mechanical Engineering, Dong-A University 2 Central Corporation

요 약 메인스타팅 에어밸브는 선박에서 최초 시동을 위해 장착되는 요소로서 운전 시에는 공기를 차단하는 역할을 한다 . 본 연구에서는 기 개발된 50A 메인스타팅 에어밸브의 형상을 기초로 80A 메인스타팅 에어밸브의 기초설계를 제시하였고 , 80A 메인스타팅 에어밸브의 개념설계는 CATIA 를 이용하여 완성되었다 . 그리고 압력분포 및 속도분포 등의 유동특성을 검토하기 위해서 유동해석을 수행하였고 , 이어서 FSI 를 이용한 구조해석을 수행하였다 . 이상의 수치 해석을 위하여 ANSYS 및 ANSYS CFX 프로그램을 이용하였다 . 밸브 몸체의 과도한 중량은 인접 구조요소의 강도를 저해시킬 수 있고 유동특성에도 좋지 못한 영향을 줄 수 있다 . 본 논문에서는 80A 밸브의 경량화 설계를 강도성능의 요구조건을 고려하여 제시하였다 . 최종 제시한 밸브는 7kg 의 경량화를 이루었고 최대응력도 설계기준을 만족시켰다 .

Abstract The role of a main starting air valve is to supply compressed air to the diesel engine for starting the

Key Words : FSI(Fluid Structure Interaction), Lightweight Design, Valve, Main Starting Air Valve, Structural Analysis

구조연성해석을 통한 메인스타팅 에어밸브의 경량화설계

Kwon-Hee Lee^1*, Byung-Hyun Jang²

Abstract

stopped diesel engine of a ship and cut off the air during normal operation. In this study, the main starting air valve with 80mm size was designed based on the developed valve with 50mm size. The concept design of the 80A main starting air valve was completed by using CATIA. Then, fluid analysis was performed to investigate the flow characteristics such as pressure and velocity distribution. Sequentially, structural analysis using FSI was performed. In this study, ANSYS CFX and ANSYS Workbench are utilized. The heavy weight of the body can deteriorate the strength performance of neighbor elements, leading to undesirable effect on flow characteristics. Thus, in this research, a lightweight design of the body was suggested satisfying strength requirement. The weight of the suggested design was reduced by 7kg, and the strength satisfied its requirement.

   1. 서 론 선박용 메인스타팅 에어밸브는 정지된 선박의 최초 시 동을 위해 필요한 기계요소이다. 메인스타팅 에어밸브는 바디, 디스크 그리고 시트로 구성된다. 메인스타팅 에어 밸브는 엔진의 최초 시동을 위하여 공기압축기에서 밸브 로 공급된 고압의 압축공기를 직접 그 상태의 압력으로 본 연구는 산업통상자원부 지정 지역혁신센터사업(RIC) 고기능성밸브기술지원센터 지원으로 수행되었음. * Corresponding Author : Kwon-Hee Lee(Dong-A Univ.) Tel: +82-51-200-7638 email: Received October 7, 2013 Revised November 5, 2013 Accepted November 7, 2013

   공급하지 않고 구동조건을 만족하였을 때 엔진으로 압력 을 송출하는 유랑제어 밸브의 역할을 수행한다 [1]. 메인스타팅 에어밸브의 작동원리는 다음과 같다. 최초 디스크의 외부와 내부가 디스크 시트를 통해 단절된 상 태로 정지되어있다. 공기압축기로부터 압축공기 30bar를 받아 컨트롤 밸브를 통하여 디스크 내ᆞ외부로 송출되어 압력이 평형상태를 유지한다. 이 때 디스크 내부는 컨트

   확보를 위해 기 개발된 소형의 밸브를 기초로 하고, 이 밸브와 개발되는 밸브의 유동 및 구조 안정성 평가를 실 시하였다. 이를 통해 메인스타팅 에어밸브의 경량화 설계 를 제시하였다. 즉, 본 연구에서 개발하고자 하는 80A 메 인스타팅 에어밸브의 형상을 CAD를 이용하여 생성하고, 이 모델을 기반으로 하여 유동해석 및 구조연성해석을 수행하였다. 이 결과를 통해 80A 메인스타팅 에어밸브의 유동특성 및 구조 안정성을 평가하고 중량감소를 실현하 였다.

   2.1 50A 메인스타팅 에어밸브의 모델의 구조 ᆞ연성해석 실제 작용시의 유체의 흐름을 파악하기 위하여 디스크 가 열린 상태에서 메인스타팅 에어밸브의 구조 . 연성해 석을 수행하였다. 즉, 유동해석 수행을 위하여 ANSYS CFX에 의한 정상상태의 유동해석을 수행하였다. 해석모 델은 밸브 입구의 길이를 직경의 5배, 출구 직경의 10배 로 설정하여 유동영역을 모델링하였다. 출구영역을 입구 보다 길게 설정한 이유는 유체가 입구에서 디스크를 지 나 출구로 흐를 때 교축현상에 의해 비정상적인 유동특

   작동유체는 에어의 이상기체를 사용하였고 비압축성 유동 및 정상상태로 가정하였다. 그리고 ANSYS CFX의 k-ε 난류모델을 사용하였다. 사용된 난류모델의 이론식 은 참고문헌 [8]에 전개되어 있다. 주 밸브의 입구압력은 최대 30bar로 알려져 있으나 설계 시에는 내부적으로 두 배가 높은 60bar를 이용한다. 또한 작은 밸브에 7bar의 설 계압력이 작용시켰다. 이는 설계기준을 따른 하중조건이 다. 또한 출구조건은 대기압으로 설정하였다. 이를 Fig. 3(a)에 표시하였다. 본 밸브의 수치모델에서는 4절점 사 면체요소를 사용하였으며 절점 12,615개 요소 37,295개 로 구성되었다.

   는 면적도 증가되었다. 동시에 밸브의 직경이 증가함에 따라 밸브의 중량도 증가하게 되었다. 밸브 입-출구 직경 을 증대시키고 디스크와 내부형상도 증대시켰다. 또한 증 가한 밸브의 중량을 지지해줄 수 있는 밸브의 볼트 홈의 개수를 8개에서 16개로 증가시켰다. 볼트 홈의 개수를 증 가시킴으로써 엔진과 밸브의 결합력의 증대시켜 중량이 증가한 밸브를 지지할 수 있도록 설계하였다. 80A 메인스타팅밸브도 50A 밸브와 작동원리와 동일 한 조건에서 작동하기 때문에 밸브 내부의 형상은 유지 하나 밸브 내부의 치수를 변화하여 설계하였다. 공기압축

   설계하여 볼트 홈을 하였다. 또한 볼트 홈의 간섭이 발생 하지 않도록 하여 홈을 설계하였다. 밸브의 직경은 증가 하였지만 밸브의 길이는 동일하다. 80A 메인스타팅밸브의 기능을 수행하기 위해서는 내 부의 유량 흐름이 50A 메인스타팅밸브와 동일한 유동특 성을 가져야 한다. 앞에서 제기된 문제점들을 해결하기 위해서 수치해석을 통하여 유체의 유동특성을 파악하여 50A 메인스타팅밸브 모델과 동일한 유동특성을 가질 수 있는지 비교해 보았다. 밸브의 형상은 CAD를 이용하여 모델링하였으며 유체의 유동특성을 파악하기 위해 ANSYS CFX를 이용하여 해석을 수행하였다. 유동영역

   응력은 31.8MPa으로서 밸브의 안전율은 7.5로 계산되었 다. 이 결과는 허용응력보다 작은 값이기 때문에 80A 메 인 스타팅 밸브는 구조강도상 안전하다고 할 수 있다. 3. 80A 메인스타팅밸브의 경량화 설계 80A 메인스타팅밸브의 경량화 설계를 위해 80A 메인 스타팅밸브의 형상변화를 시도하였다. 공기 압축기의 직 경이 고정되어 있어 밸브의 직경변화는 불가했다. 또한 내부 형상이 변화하면 밸브의 유동특성이 변화하여 디스

References

거하여 형상을 변화시켰다. 밸브의 중량감소도 중요하지 만 변화한 밸브의 형상이 기존의 80A 메인스타팅밸브와 유동특성이 동일해야하며 밸브의 강도 또한 동일한 성능 을 유지해야 한다. 시행착오법에 의해 제시된 경량화 설 계를 Fig. 8에 표시하였다. 밸브의 성능 및 강도를 평가하기 위하여 유동해석과 구조연성해석을 수행하였다. 80A 메인스타팅 에어밸브 와 동일한 조건하에서 유동해석을 수행하였다. 이를 Fig. 9(a)에 표시하였다. 내부 형상의 변화가 크게 없었기 때 문에 유사한 결과가 나왔다. 이를 하중조건으로 적용하여 구조연성해석을 수행하였다. 연성해석 결과는 Fig. 9(b)

장 병 현 (Byung-Hyun Jang) [정회원] • 2012년 2월 : 동아대학교 기계공 학과 (공학석사) • 2012년 3월 ~ 현재 : (주)센트랄 연구원

<관심분야> 구조해석, 차량부품해석

[1] Jang, B.H., Heo, J.I. and Lee, K.H. "Structural Design of a Main Starting Air Valve," Proc. 10th WSEAS International Conference on Fluid Mechanics, Milan, Italy, pp. 89-93. 2013. [2] Ko, G. C. Control Valve Handbook, Hong Rung, Seoul, Korea. 2007. [3] Smith, P. Valve Selection Handbook, Elevier, USA, pp. 1~45. 2004. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/B978-075067717-2/50001-8 [4] Lee, J.H. and Lee, K.H. “Prediction of the Resistance