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동적거동을 고려한 자동차용 엔진밸브의 피로특성 평가방법
전남규(N. G. Jun),박기범(K. B. Park),이종민(J. M. Lee),석창성(C. S. Seok) Korean Society for Precision Engineering 2021 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 Vol.2021 No.11월
자동차용 엔진밸브는 엔진내부에서 배기가스에 의한 고온과 반복인장응력을 받아 피로파괴의 위험이 있으며, 특히 엔진 구조(설치 환경)에 따라 엔진밸브의 동적거동이 결정되는 특징을 가진다. 엔진밸브의 동적거동은 엔진밸브에 가해지는 응력의 양상과 밀접한 상관관계를 가지기 때문에 엔진(밸브트레인)개발 시 엔진밸브의 내구 안전성을 확보하기 위해서는 엔진구조에 따른 엔진밸브의 동적거동과 피로특성에 대한 연구가 필수적이다. 일반적으로 기계부품의 피로특성 평가는 제품의 안전성을 위한 중요한 요소이다. 주기적인 인장응력으로 인해 피로파괴의 위험이 있는 기계부품들의 경우, S-N 선도를 통한 피로수명 평가방법이 일반적이나 자동차용 엔진밸브는 주기적인 인장응력과 더불어 동적거동에 의한 동하중을 받기에 이를 고려한 피로수명평가방법이 요구된다. 이에 본 연구에서는 엔진밸브의 동적거동에 영향을 미치는 주요 설계인자를 도출하여 엔진 구조에 따른 엔진밸브의 동적거동을 운동방정식의 형태로 나타내였으며 밸브헤드와 밸브시트간의 충돌속도에 의해 엔진밸브의 최대충돌응력이 결정됨을 확인하였다. 또한 FEM 해석을 통해 엔진밸브의 운동방정식으로부터 최대충돌응력을 구하고 피로시험을 통해 최대충돌응력-피로수명 관계를 획득하였다. 엔진밸브 설치환경에 따른 엔진밸브의 피로특성을 평가할 수 있는 최대충돌응력-피로수명 모델을 제시하였으며 해당 모델 사용시 엔진밸브의 설치환경이 피로수명에 미치는 영향을 분석할 수 있을 것으로 판단된다. 이를 통해 엔진설계 시 엔진부품의 안전성을 확보하는데 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
Experimental Study on the Evaluation of Fatigue Life in a Double-lap Bolted Joint
J. M. Lee(이종민),N. G. Jun(전남규),K. B. Park(박기범),C. S. Seok(석창성) Korean Society for Precision Engineering 2021 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 Vol.2021 No.11월
Double-lap bolted joint in bracket structure has been used in various fields including vehicle industry to connect mechanical components. There is huge risk of bolt loosening in the structure as vehicle is exposed to external factors such as static load, fatigue load, vibration or thermal shock. Cyclic load reduces clamping force formed in the structure, which leads to the instability of the joint and even serious industrial accidents. Therefore, the fatigue life of the double-lap bolted joint according to operating condition, such as cyclic load and tightening torque, has to be quantitatively evaluated to understand the progress of the loosening state and reduce the possibility of the accidents. In this study, fatigue tests were conducted for the bolted joint according to the cyclic load and tightening torque. Clamping force-cycle graph for each condition was obtained by developing a measurement technique to record the data in real time. By analyzing the clamping force-cycle graphs according to the test condition, the fatigue characteristic of the structure is evaluated. Finally, a method to select proper clamping force to prevent bolt loosening in the structure is suggested based on the evaluation of the fatigue life.
C.-S. Seok(석창성),D. H. Kim(김담현),J. M. Lee(이종민),N. G. Jun(전남규),K. B. Park(박기범),K. K. Kim(김기근) Korean Society for Precision Engineering 2021 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 Vol.2021 No.11월
Thermal barrier coating (TBC) is technology applied to gas turbine blades to ensure high-temperature safety. When TBC is exposed to high temperature, thermally grown oxide (TGO) is formed due to degradation. TGO weakens the bonding strength between the top coating and bond coating of TBC and causes breakage. So, technology that can predict the growth behavior of TGO and secure durability of TBC is necessary. However, the prediction of the growth behavior of TGO uses an empirical method for each TBC. This method cannot be universally used due to the disadvantage that empirical formula cannot be used when microstructure of TBC is changed. In this study, an isothermal degradation test was performed under various degradation conditions to predict the growth of TGO of TBC manufactured by the Air Plasma Sprayed (APS) method. As a result of measuring the thickness of TGO, the exponential term of the growth equation was affected by the microstructure of the top coating. And the reaction rate constant k can be derived through the Arrhenius equation. Finally, using the two relationships, an equation for predicting the TGO thickness of TBC manufactured by the APS method was derived.