이축 볼밸브의 볼 경량화를 위한 응력해석

Abstract

고압을 받는 플랜트용 제품 설계 시에 대부분 강건 구조를 지양하다 보면 안전율이 높아지고 중량이 과다 해지는 문제가 있다. 본 논문은 플랜트용 이축 볼밸브 볼의 경량화를 위하여 밸브의 3차원 모델링과 ANSYS를 적용한 유한요소 해석으로 응력해석을 수행한 후에, 허용 응력 범위와 설계 변경 제한 조건 내에서 최적화 과정으로 볼의 중량 감소를 달성하였다. 약 22%의 볼 중량이 감소되었고 응력은 증가하였으나 안전계수는 1.25가 되었다. 볼의 일부분에 과도한 응력이 있으나 대부분 재료의 항복응력 허용치 내에 있어 안전한 상태이다. 유동의 흐름을 제어하는 실링 (seal) 역할을 하는 시트 인서트와 시트 링 등 밸브의 3차원 모델에 대한 정적 구조해석으로 응력 값을 확인하여 안전함을 확인하였고, 또한 대칭 구조인 부분에 대해 2차원 단순 모델의 구조해석으로 같은 결과가 도출됨을 확인하였다. 본 연구의 범위는 볼의 중량 감소라 볼의 감소된 치수가 도출되었으며, 주변 부재의 재설계는 (신제품 개발에 해당되어) 본 연구에 고려되지 않는다.