유체-구조 연성 해석을 통한 고성능 타이어의 설계에 관한 연구 - 김명준 (The Graduate School, Ajou University, 2017)
전 세계적으로 차량 시장은 고성능, 고안전을 만족시키면서 동시에 친환경적인 차량 부품을 요구하고 있다. 타이어 시장 역시 점차 편의성을 향상시키고 고성능, 고안전의 타이어가 개발되고 있으며 다양한 환경 규제에 대응하는 방안들이 나오고 있다. 자가 팽창 타이어는 이러한 시장의 요구에 따라 별도의 전원 장치 없이 적정한 공기압을 유지시켜 줌으로써 안전성, 편의성, 친환경성을 모두 만족시키는 타이어이다. 자가 팽창 타이어는 타이어의 공기압이 설정 공기압 이하로 떨어졌을 때 이를 감지하고 압축 및 부압 생성 사이클을 거쳐 압축된 공기가 밸브를 통해 타이어 내부로 들어가게 된다. 자가 팽창 타이어를 개발함에 있어 다양한 요소들이 직, 간접적으로 영향을 미치고 있고 그 중 자가 팽창 타이어 내부에 장착되는 튜브는 가장 중요한 요소 중 하나이다. 튜브는 타이어의 하중에 의해 구조적 변형이 가해지고 이로 인해 내부의 공기의 압력이 변하게 된다. 따라서 이를 분석하기 위해서는 유체와 구조를 동시에 고려해주는 해석 기법이 필요하다. 본 연구에서는 자가 팽창 타이어 내부에 장착되는 튜브를 ANSYS의 유체-구조 연성해석을 통해 분석해 보고 튜브의 형상을 최적화 하는 것을 목적으로 한다. 본 논문의 내용을 요약하면 다음과 같다. 먼저 유체-구조 연성해석에서 접촉을 모사하는 새로운 방법을 제안한다. 기존의 앤시스의 CFX를 사용하는 유체-구조 연성해석 모델은 접촉 요소를 반영하지 못한다. 하지만 자가 팽창 타이어 내부에 장착된 튜브의 경우 휠과의 접촉에 의한 튜브의 구조적 변경이 압력의 변화와 직접적으로 관계되기 때문에 접촉의 구현이 필요하다. 이를 해결하기 위해 구조 해석 결과에서 노드점의 변위를 추출해 유체-구조 연성해석의 입력 값으로 사용하는 새로운 방법을 제안한다. 다음으로 본 논문에서는 비선형 대변형인 고무 물성을 사용해 양방향 유체-구조 연성해석 방법을 사용한다. 기존의 연구들의 경우 주로 단방향 유체-구조 연성 해석을 통해 유체 해석의 결과를 구조 해석의 입력 값으로 사용해 결과를 도출해 내는 방법이 주를 이루었다. 양방향 유체-구조 연성해석은 실시간으로 유체와 구조의 해석 데이터를 주고받으며 해석을 진행하는 방법인데, 기존의 연구에서 많이 사용되지 않았고 사용되더라도 비선형이나 대변형에는 적용이 어려웠다. 본 논문에서는 앞서 언급한 노드점 변위를 입력으로 사용하는 방식과 재시작 기능을 이용해 멀티 스텝의 양방향 연성해석을 진행해 그 결과를 확인 검증한다. 다음으로 개발된 모델의 형상에 대한 최적화를 진행한다. 유동과 구조의 변형 사이의 관계식을 실험계획법과 반응표면 분석법을 통해 추정해보고 ANOVA 테이블을 이용해 추정한 모형 함수의 타당성을 검증한다. 이렇게 추정한 회귀모형함수를 Convex의 이차식 형태를 이용해 최적화를 진행한다. 최적화를 진행한 튜브 형상에 대해 별도로 제작한 튜브 성능 시험기의 결과와의 비교를 통해 최적화 결과에 대한 검증을 한다. 마지막으로 개발된 모델을 이용한 편심 해석을 진행한다. 튜브는 제조 공정상의 오차 등으로 인해 편심이 발생하게 되고 이는 목표 효율의 미달이나 사고위험의 증가로 이어지게 된다. 하지만 무조건 편심 또는 공차를 줄이기만 하는 방법으로는 제작 단가의 증가로 비용 측면에서 손해를 보게 된다. 따라서 개발된 모델을 이용해 편심에 따른 완전 압착, 유동 효율에 대한 해석을 진행하고 허용 가능한 편심 결과를 도출한다. 본 논문은 유체-구조 연성해석을 이용한 자가 팽창 타이어 내부의 튜브에 관한 분석 및 최적화를 주 내용으로 다룬다. 기존에 구현하지 못했던 부분에 대한 새로운 접근법을 제안하였고 최적화를 진행한 후 실험 결과와의 비교를 통해 모델을 검증해 본다. 제안된 모델을 활용해 기존에 미소 변형에 주로 사용되었던 유체-구조 연성해석을 유연체 구조물의 대변형에 의한 유동결과의 변형에 적용할 수 있을 것으로 기대한다. 뿐만 아니라 공기 모델에 열을 적용해 온도에 의한 영향 역시 분석할 수 있을 것이다.
학위논문(박사)--아주대학교 일반대학원 :기계공학과,2017. 8
Keywords: FSI; 유체-구조 연성해석; ANSYS; Self Inflating Tire