수소차용 파이프 성형성의 최적화에 대한 설계 인자 연구 = A Study on the Design Factor for Optimization of Pipe Formability for Hydrogen Vehicles

국문 초록 (Abstract)

최근 지구 온난화의 영향으로 세계 각지에서 이상 기후가 빈발하고 있어 지구 온난화 의 원인으로 지목되는 온실가스와 탄소 배출의 감축이 화두가 되고 있다. 이에 기존 탄 소 배출원으로 지적된 내연기관 자동차를 대체하기 위해 다양한 형태의 친환경 차량이 등장하게 되었으며, 이 중 수소를 에너지원으로 사용하는 경우 BEV(배터리식 전기자동 차: Battery Electric Vehicle) 대비하여 높은 에너지 밀도로 각광받고 있다. 수소를 에너지원 으로 하는 친환경 차량은 수소를 내연기관에서 연소하여 이를 동력원으로 사용하는 수소 내연기관 차량과 수소와 산소의 이온결합으로 전기를 생성해 사용하는 수소 연료전지 차 량이 있다. 수소는 원자량이 가장 작은 물질로서 확산이 다른 물질에 비해 빠른 데다 인화성이 있 고, 내부식성이 낮은 물질의 경우 수소취화 현상을 일으켜 그 취급에 주의를 요구한다. 그렇기 때문에 수소를 연료로 하는 차량들은 누설이 생기지 않도록 연료 라인의 기밀을 유지할 필요가 있으며, 이러한 특성은 연료용 파이프 성형 공정에 크게 영향을 받는다. 이에 본 연구에서는 두 가지 성형 공정에 따른 수소자동차용 연료 파이프의 성형성을 평 가하는 동시에 씰링성 향상을 위한 표면경도 저하를 목적으로 하는 열처리 공정에 대한 분석을 실시하였다. 성형 공정의 경우 금형과의 이격, 열처리 공정의 경우 온도에 영향을 끼치는 주요 변수들에 대하여 라틴 하이퍼큐브 샘플링(LHS) 방식으로 유한요소해석에 필 요한 입력값들을 추출해 Python 스크립트를 통해 해석과 결과값 추출을 자동화하였다. 이 후 주요 변수와 결과값을 RSM(반응표면법, Response Surface Method) 모델로 구성하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Recently, due to the influence of global warming, abnormal climates are frequent around the world, and the reduction of greenhouse gases and carbon emissions, which are blamed for global warming, has become a hot topic. As a result, various types of eco-friendly vehicles have emerged to replace internal combustion engine vehicles, which have been pointed out as existing carbon emission sources, and among them, when hydrogen is used as an energy source, it is in the spotlight for its high energy density compared to BEV (Battery Electric Vehicle). Eco-friendly vehicles using hydrogen as an energy source include hydrogen internal combustion engine vehicles that use hydrogen as a power source and hydrogen fuel cell vehicles that generate electricity through an ionic combination of hydrogen and oxygen. Hydrogen is a substance with the smallest atomic weight, and in the case of a substance with faster diffusion than other substances, flammable, and low corrosion resistance, it causes hydrogen embrittlement and requires attention in its handling. Therefore, vehicles using hydrogen as fuel need to maintain sealing of the fuel line to prevent leakage, and this characteristic is significantly affected by the fuel pipe forming process. In this study, the formability of fuel pipes for hydrogen vehicles according to the two forming processes was evaluated, and at the same time, an analysis was conducted on the heat treatment process aimed at lowering the surface hardness to improve sealing properties. Input variables which are affecting clearance from the die in case of formability analysis, and which is affecting temperature in case of heat temperature analysis required for finite element analysis has extracted using the Latin Hypercube sampling (LHS) method and automated through Python scripting. After that, the main variables and result values were composed of the RSM (Response Surface Method) model.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 1.1 연구 배경 및 목적 1
• 2. 파이프 엔드 성형 유한요소해석 3
• 2.1 파이프 엔드 성형 시 평가 요소 정의 5
• 2.2 벌징 공정 7
• 2.2.1 3D 모델 및 유한요소해석 구성 8
• 2.3 벌징 공정 실험계획법 수립 및 해석 12
• 2.3.1 프레스 성형 유한요소해석 13
• 2.3.2 로터리 성형 유한요소해석 18
• 2.4 성형 공정 근사 모델 생성 및 해석 평가 24
• 2.4.1 프레스 성형 반응표면 분석 28
• 2.4.2 로터리 성형 반응표면 분석 31
• 3. 성형 후 파이프 표면 열처리 유한요소해석 34
• 3.1 ABQUS Subroutine 39
• 3.2 레이저 조사 열처리 반응표면 분석 40
• 4. 결 론 43
• Reference 44
• Abstract 46