[졸업논문] 엔진 배기매니폴드의 열응력 해석을 위한 유한요소해석방법에 관한 연구

소개글

학부 졸업 논문입니다.
A Study on the Finite Element Method for Analyzing Stress of Engine Exhaust Manifold.

목차

ABSTRACT

1. 서론
2. 열응력의 유한요소법 이론
3. 해석모델
3-1. 해석과정
3-2. 유한요소 모델.
4. 예비해석
4-1. 개요
4-2. 결과
5. 해석
5-1. 배기가스에 의한 온도 적용
5-2. 열응력 해석을 위한 온도구배 적용
6. 결과
6-1. 온도분포 해석결과
6-2. 열응력 해석결과
6-2-1. 시간과 응력의 관계
6-2-2 시간과 변형률의 관계
6-2-3. 가열온도와 열응력의 관계
6-2-4 깊이에 따른 열응력
7. 결론
참고문헌

본문내용

1. 서론
무한경쟁 시대의 요구에 따라 자동차 산업의 신기술과 신소재의 개발은 엔진성능의 비약적인 발전을 가져왔다. 기관의 성능 향상을 위해 수치해석적 모델 및 최적 배기계 개발에 관한 연구가 진행되었고, 배기 효율을 향상시키기 위해 다양한 연구가 진행 중이다. 배기계에 관한 연구들의 공통점은 배기 효율 및 배기계 강성을 유지하는데 목적이 있다는 것이다. 특히 고온의 배기가스는 배기계내의 온도와 압력의 상승을 유발시키고, 이로 인해 열적, 기계적 부하를 가중시킨다. 그리고 배기 매니폴드는 고온의 배기가스가 직접적으로 관통하는 부분으로서 이러한 열적, 기계적 부하를 가장 많이 받는 부분이다. 그러므로 배기 매니폴드의 열거동 현상을 명확히 이해하고 이를 설계에 반영하기 위해서는 배기 매니폴드의 온도 분포, 열응력 그리고 열변형에 관한 연구가 선행되어야 한다.
구체적으로 살펴보면, 배기 매니폴드에서 발생하는 대부분의 열응력은 실린더 헤드뿐만 아니라 가스켓을 통해 접촉하는 입구측 플랜지(inlet flange)와 고온 배기 가스의 유로를 형성하는 러너(runner)사이의 큰 온도 구배(temperature gradient)에 의한 열팽창 차이가 일차적으로 그 원인이 된다. 따라서, 상대적으로 고온 부분인 러너들의 열팽창이 입구측 플랜지와 실린더 헤드에 의해 구속됨으로써 러너들의 합류부에서 쉽게 균열이 발생 할 수 있는 구조이다.
이와 같은 현상을 구조 역학적 관점에서 살펴보면 엔진의 열사이클로 이루어지는 가열과정 동안에는 각 러너들의 합류부에서는 압축 소성 변형이 발생하고, 이후 냉각 과정을 통해 팽창함으로써 잔류 응력으로 존재하게 된다. 따라서 이와 같은 인장과 압축 과정의 반복 열사이클 하중에 의해 고응력 부위의 표면에서 초기 균열이 발생한 후, 점차 진전됨으로써 관통 크랙을 형성하고 최종적으로 파단 과정에 이르게 된다.
한편, 이 같은 배기 매니폴드의 열팽창에 의한 상대적 강성 차이로부터 플랜지와 실린더 헤드의 간극이 크게 발생할 수 있으며, 이것이 초기 압축되어 있는 가스켓 비드(gasket bead)의 복원량보다 많을 경우 배기 가스의 누설 문제를 동반할 수가 있으므로 엔진의 효율과 성능을 충분히 유지하기 위해서는 배기 매니폴드의 열변형 거동은 매우 중요한 요소이다.
따라서 본 연구는 배기 매니폴드 표면에서 일어나는 다양한 열응력 특성을 분석하고 이해하여 배기 매니폴드의 강성과 수명을 예측하는데 목적이 있다.

참고 자료

1) Thermal Fatigue Characteristics of Engine Exhaust Manifold by CFD/FEM analysis, SAE p586-591

2) Introduction Finite Elements In Engineering, pretice hall

3) A First Course In the Finite Element Method, Thomson learning, Daryl. Logan

4) 금속재료, 기전연구사, 연윤모등 공저

5) 미래 공학도를 위한 재료과학, 교보문고, William D. Callister, Jr.

6) 열전달, 교보문고, McGraw-Hill