[논문] 공기구동밸브 해석 및 고찰( ANSYS프로그램이용 )

목차

I. 서 론
1.1 연구의 목적 및 필요성
1.2 국내외 기술개발 연구동향
1.3 연구내용 및 연구방법

Ⅱ. 밸브의 종류 및 특징
2.1 스템 조작 특징에 의한 밸브의 종류
2.2 밸브의 특징

Ⅲ. 밸브의 선정과 이론해석
3.1 밸브의 선택
3.2 취약부 조사
3.3 이론해석을 위한 재료의 물성치 조사
3.4 이론해석

Ⅳ. 밸브 모델링과 구조해석
4.1 Fisher 2" 글로브 밸브의 3D 모델링
4.2 취약부의 FEM을 통한 구조응력 해석

Ⅴ.결과 및 고찰

Ⅵ. 결 론

본문내용

① 요크 캡
요크 구조물은 밸브 몸체와 구동부를 연결하는 요소로서 상단부분은 실린더가 장착 되며 하단 부분은 본넷을 통해 밸브몸체와 연결된다. 요크는 구동부의 무게를 효과적으로 지지할 수 있도록 보강재가 삽입되어 있다.
해석을 하기 위하여 3D 스캔을 이용한 모델에서 치수를 얻어 ANSYS에서 유한요소모델링을 하였다. 요크는 아래에 스프링에 의해 압력이 가해지고 있으며, 모서리에는 요크와의 고정을 위한 hole이 있다. 요크 구조물은 주물가공으로 제작되었으며 103GPa의 탄성계수와 166 MPa의 항복 강도를 갖는다.해석 결과 hole 주위로 응력이 집중됨을 알 수 있다.
Fig. 13 요크 캡의 모델 형상 - 3D 스캔
Fig. 14 요크 캡의 유한요소 모델링 ( 요소 50449개 )
Fig. 15 요크캡의 구조해석 결과
( 상부압력 0.35MPa 일때 최대응력 8.88MPa ,항복강도 166MPa )
② 하부 스프링 시트
Fig. 16 하부 스프링 시트의 모델형상 - 3D 스캔
Fig. 17 하부 스프링 시트의 유한요소모델링
Fig. 18 하부 스프링 시트의 유한요소해석 결과
( 상부압력 0.25MPa 일때 최대응력 7.3MPa , 항복강도 215MPa )
③ Fisher 2인치 글러브 밸브 스템
Fig. 19 스템의 유한요소 모델링 ( 요소 5만개 )
Fig. 20 스템의 유한요소 해석 결과
( 상부압력 10MPa 일때 최대응력 13.2MPa , 항복강도 215 MPa)
④ 스프링
Fig. 21 스프링의 형상 - 3D 모델링
Fig. 22 스프링의 유한요소모델 ( 요소 51318개)
Fig. 23 스프링의 유한요소모델 경계조건 ( 요소 51318개)
Fig. 24 스프링의 유한요소 해석결과
(상부 하중F=1000N 일때 최대응력 152MPa)
⑤ 밸브 플러그
Fig. 25 fisher 2인치 글러브 밸브 플러그 형상
Fig. 26 fisher 2인치 밸브의 유한요소모델링 - 요소 26만개
Fig. 27 fisher 2인치 밸브의 유한요소해석 결과
( 상부압력 10MPa 일때 최대응력 30.2MPa , 항복강도 206MPa )
⑥ Valve body Flange
Fig. 28 fisher 2인치 글러브 밸브 바디 형상
Fig. 29 플랜지의 구조해석 결과
( 상부압력 100kgf 일때 최대응력 0.9MPa , 항복강도 215MPa )
⑦ 다이어프램의 구조해석
Fig. 30 다이어프램의 작동 개념도
Fig. 31 다이어프램의 두께에 대한 최대응력 ( 외압 0.1MPa )
Fig. 32 다이어프램의 두께에 대한 처짐 ( 외압 0.1MPa )
Ⅴ.결과 및 고찰
원자력 발전소에서의 안전성을 유지하는 것은 매우 중요한 문제이며 그와 같은 이유로 공기구동밸브의 안전성을 평가하는 것은 꼭 필요하다.
본 논문에서는 공기구동밸브 중에서 가장 많이 쓰이는 글로브 밸브와 그 에 따른 취약 부분을 우선적으로 해석 하였으며 특히 취약성이 가장 높은Actuator의 부분을 주로 해석하였다.
해석 결과에서 볼 수 있듯이 york cap의 경우 항복강도의 5.3%의 응력이 존재했고 Lower Spring seat 의 경우 3.4%, stem 의 경우 6.1% , 밸브플러그의 경우 14%, 밸브바디플랜지의 경우 0.4%의 최대 응력이 존재했다.
실험 결과로 미루어 볼 때 재료의 항복강도에 비해 작은 최대응력이 발생하였으므로 안정적인 구조물 인 것을 알 수 있었다.
실험 시 좀 더 정확한 구속조건과 하중조건을 사용하여 실험한다면 더욱 신뢰도 있는 자료가 될 것이다.
이후 상용 CFD 프로그램을 이용하여 유체의 압력이 밸브바디에 미치는 압력을 고려하고 밸브바디에 작용하는 외부하중을 계산하여 밸브바디의 최대응력을 구하는 실험이 필요하다.
Ⅵ. 결 론
본 논문에서 실현하고자 하는 바는 공기구동밸브의 안전성 진단 시스템 구축을 위한 밸브의 Actuator의 각 요소를 구조해석 하는 것이었다. 각 파트에 대한 모델링을 ANSYS를 통하여 해석함으로서 각 요소의 구조적 안정성을 확인하였다. 그러나 앞에서 행한 정적 특성 외에도 밸브 내 유체의 유동에 따른 영향까지 고려되어야 한다. 향후 상용 CFD 프로그램을 이용하여 유체의 유동해석을 하고 그 영향을 적용하여 밸브내의 동특성을 연구하는 것이 필요하다.
또한 밸브에서의 압력 강하 및 유동특성은 개도율에 다라 매우 다른 양상을 보이므로 각 개도율에 다른 해석이 필요하다.
이번 논문을 쓰면서 CATIA를 익히고 ANSYS를 이용하여 구조 해석을 하면서
처음 써보는 프로그램을 익히는데 시간이 오래 걸렸다. 이번 경험을 토대로
향후 더욱 숙달된 해석을 할 수 있을 것이다.
참 고 문 헌
[1] Resolution of Generic Safety Issue 158: Performance of Safety-Related Power-Operated Valves Under Design Basis Conditions, NRC: Regulatory Issue Summary 00-003 , March, 2000
[2] 김찬용, 김봉호, 허태영, “ 공기구동밸브 건전성 진단 시스템 구축 ”, (주)한빛파워서비스, 2004
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[5] Spring Design Manual", Second Ed. AE-21. SAE.
[6] 배윤영, 유체 계통의 성능 최적화를 위한 펌프와 밸브의 선정“, 한국 원자력 연구소 기술 현황 보고서, KAERI/AR-371/93, 1993
[7[ www.kalsi.com
[8] www.metweb.com
[9] R. J. Roark , "Formulas for stress and strain" 5th Ed., , Table 24 , Mcgraw-Hill , 2001

키워드

공기구동밸브(AOV:Air-Operated Valve),   졸업논문,   ANSYS,   졸업 논문,   해석 및 고찰