유한요소해석을 이용한 파열판 피로 최적화 설계

Abstract

본 연구에서는 PIDO(Process Integration Design Optimization)을 이용하여 파열판의 설계변수를 최적화하여 파열판의 파열압 성능을 만족하면서 피로 Damage 를 최소화하였다. 현재 석유화학, 농업 산업 등 각종 압력 시스템에서 과잉압력이 발생하는 경우 의도적으로 설치하는 비기계적 과압 방출 안전장치인 파열판은 설정압력내에서 파열되어야 하며 시간이 흐름에 따라 내구수명을 만족하는 피로내구 수명이 중요한 성능이다. 따라서 본 연구에서는 각인 반전형 파열판의 최적 설계를 위한 설계요구조건을 정립하고, 설계요구조건을 만족하기 위해서 파열판 형상의 설계변수와 파열판의 피로내구성 목적함수 및 파열판의 파단압 구속조건으로 최적화에 대한 설계문제를 정식화하였다. 또한 최적설계 수행을 위해 상용 최적화 프로그램인 PIAnO(Process Integration and Design Optimization)를 이용하여 PIDO를 수행하고 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS, FEMFAT과 연계하여 해석절차를 통합하였다. 파열판의 설계 변수는 각인 폭, 깊이, 파열판 높이로 선정하였다. 설정한 설계변수는 실험계획법을 수행 하였다. 해석 시뮬레이션 솔버는 ABAQUS, FEMFAT을 사용하였고, 파열 기준인 등가소성변형률 값과 피로내구 기준인 Damage 값을 해석 시뮬레이션 결과를 사용하여 계산 하였다. 최적설계를 위하여 PIAnO에서 제공하는 다양한 설계기법을 이용하였으며, 실험계획법(DOE : Design Of Experiments)의 FFD(Full Factorial Design), OLHD(Optimal Latin-Hypercube Design), ALHD(Augmented Latin-Hypercube Design)로 전산실험을 계획하고, 실험점에 따라 해석을 수행하였다. 해석결과를 바탕으로 성능인자들에 대한 근사모델(Approximate Model)을 생성하였으며, 해당 유한요소 형상에 적합한 기법을 이용하여 최적화를 수행하였다. 최적화 수행결과, 제시한 설계요구조건은 모두 만족하며, 초기 모델 대비 피로 Damage 가 614% 감소한 설계안을 도출하였다. 다른 종류의 파열판의 적용시 파열판 성능 예측 및 성능 향상에도 크게 기여하리라 생각된다.