[논문자료]고온용 압력용기 시스템의 설계 최적화 및 실험적 연구

출처: 픽사베이

고온용 압력용기 시스템의 설계 최적화 및 실험적 연구

 

고온용 압력용기 시스템은 정밀기계, 자동차, 조선, 항공우주 산업 등에서 필요한 고강도의 정밀주조품, 정밀금형 제품, 엔진제품과 사출, 압출, 성형가공 등에서 필요한 다양한 제품을 생산에 이용되어 기존 제품에 대한 부가가치를 높이고, 생산성을 크게 향상시켜 줄 수 있다. 따라서, 고온용 압력용기 시스템의 설계 최적화는 국내 관련업체인 주단조, 금형, 세라믹, Clad 복합재 산업의 원가절감과 기능성향상을 통한 국내외 고부가치 산업기술 향상에 대단히 중요하다.

고온용 압력용기 시스템은 금속과 비철금속 제품의 정밀 주조물이나, 이종 또는 동종소재의 접합제품을 효과적으로 생산하기 위한 다목적 생산기계 시스템으로 정밀기계, 사용조건이 열악한 산업용 기계, 항공기 엔진, 사출/압출 성형기, 금형, 자동차, 선박, 중공업 등에서 사용되는 핵심요소부품과 기본소재 및 성형제품을 생산하는데 필연적으로 요구되고, 여기에 본 논문의 의의를 찾을 수 있다.

이러한 고온용 압력용기 시스템의 설계 최적화는 구조해석, 열전달, 재료공학, 유체역학 등 기계관련 모든 분야의 학문이 포함되는 종합설계로서 특히, 200MPa 이상의 초고압과 1,500℃의 초고온 조건에서 작업자의 안전과 제품의 안정적인 생산을 위해서는 하중을 지지하는 구조물의 설계와 가스의 누설을 방지하는 밀봉시스템 개발이 핵심이다. 미국, 일본 등 기술선진국에서는 구조물의 안전성을 위해 이미 설계기준 둥을 체계적으로 마련해 놓고 있지만 밀봉시스템에 대한 기준은 국산화를 반드시 해야하는 분야로서 이미 상용화를 이루고 있는 외국에서도 기술 이전을 꺼리는 분야이기도 하다.

따라서 본 논문에서는 고부가가치 부품생산을 위한 고온용 압력용기 시스템의 제작을 위한 구조적 안전성 연구를 최적화기법, 유한요소법을 통해 수행하였다.

구조물의 설계를 위해 본 논문에서는 설계변수들을 다구찌법을 사용하여 배치하고, 유한요소법을 사용하여 각 설계변수들의 기여도를 계산하여 설계에 반영함으로써 설계의 시간과 비용을 대폭 줄일 수 있었다.

유한요소법을 이용한 수치해석은 구조설계와 밀봉시스템설계를 위한 선형, 비선형해석을 수행하였고, 이때 기계적하중과 열적하중을 couple시켜 해석하는 Thermo-mechanical해석을 적용함으로써 해석의 정확성을 높였다.

본 논문의 설계기준이 되는 200MPa의 초고압과 1,500℃의 초고온 조건에서 구조물의 안전성을 위한 설계는 ASME Section Ⅷ의 Division 2을 기준으로 하여 압력과 온도조건에 견딜 수 있는 구조물을 설계하였다. 그리고 1, 2차 시일, 메탈 시일 등의 개념을 사용하여 설계조건에서 완벽한 밀봉력을 발휘할 수 있는 밀봉 시스템을 개발하였다.

초고압과 초고온하에서 안정적인 체결력을 발휘할 수 있도록 볼트식, 요크프레임식, 스프링식 체결구조를 다구찌법과 유한요소해석을 통해 결정하였는데 본 논 문에서는 설치공간, 제작비용, 안전성, 설치의 편리성 등을 고려하여 스프링식 체결구조물로 결정하여 제작하였다. 그러나 파력이 더 높아지게 되면 솔리드 요크프레임 방식이 적절할 것이다.

고온의 내부온도조건을 위해서 고압의 전류가 구조물 내부로 흐르기 때문에 작업자의 안전을 위해 구조물과 전기를 완벽하게 절연해야 하는데, 고압과 고온의 조건을 만족하기 위해서는 기계적 강도를 충분히 만족시키는 절연부품을 제작해야만 한다. 따라서 본 논문에서는 위와 같은 조건을 모두 만족시키는 절연관을 최적화기법과 유한요소법을 사용하여 설계하였다.

이와 같이 최적화기법과 유한요소법을 사용하여 설계된 고온용 압력용기 시스템의 유용성을 검증하기 위해 가압, 가온 실험을 수행하였고, 소재의 기계적 강도 향상 및 조직의 균일성 등 시스템의 유용성을 확인하였다.

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A pressure vessel with high temperature provides a method for producing components from diverse powdered materials, including metals and ceramics. So it processes succesfully for commercial production of advanced materials, for example; titanium, aluminium, steel, cobalt and nickel superalloy castings.

The high inert gas pressures and rised temperatures results in the removal of internal voids and creates a strong metallurgical bond throughout the material. The result is a clean homogeneous material with a uniformly fine grain size and a equally distributed density.

The reduced porosity of advanced materials under high pressure and temperature enables improved mechanical properties and increased workability. This process eliminates internal voids and creates clean, firm bonds and fine, uniform microstructures. And this process enables engineers to produce materials of all shapes and sizes, including cylindrical billets, flat rectangular bar billets, solid shapes with complex external geometry, and complex shapes with internal cavities. Because powder metals do not have the directional property characteristics of forgings, this process can produce materials from metallic compositions that are difficult or impossible to forge or cast.

Recently, intensive research works are under developments in different countries and in different fields of science and techniques. Today, structure under high pressure and temperature has used well beyond aerospace products and is finding new applications in a range of industries, including automotive (turbocharger wheels and diesel engine valve lifters), medical (prosthetic devices), petroleum (valve bodies) and chemical processing.

A goal of this study is optimized design of the pressure vessel with high temperature for production of advanced materials.

This study presents optimized design of system under high pressure and temperature. the gas pressure of 200MPa and thermal loads of 1,500℃ are applied to the pressure vessel simultaneously. In this study, ASME Sec. VIII Div. 2 code and JSME code were accepted for the safety design of pressure vessel. For sealing system to prevent leakage of gas, the primary and secondary seals which were made of elastomer, metal seal and complex seal were designed by using Taguchi method and FEA.

The structures for resistance of inner gas pressure in pressure vessel, for example; Bolting type, spring type, H beam and solid yoke type flame, and insulators are optimized by Taguchi's method and FEA.

these result were analyzed using a coupled thermal-mechanical FEM analysis technique. The commercial Finite Element Analysis (FEA) codes used for this study were MSC/Memtat and MSC/MARC.

The FEM computed result show that optimized designs by ASME and JSME design code for structure with combined load of high gas pressure and thermal loads may be safe.

Also, experimental study shows that Porosity of specimen was reduced due to high temperature and pressure of pressure vessel system with high temperature. If consider research papers which are similar to this study, the reduction of porosity of material can increase yield stress, UTS and elongation of aluminum. Thus, This study proved the usefulness of a pressure vessel with high temperature through experiment. But effect of temperature at a fixed pressure is higher than that of pressure at a fixed temperature.

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출처: http://www.riss.kr/search/detail/DetailView.do?p_mat_type=be54d9b8bc7cdb09&control_no=31c3478070b892ef

 

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