버터플라이 밸브 해석의 이해

밸브는모든산업군에서관로의도중이나용기에설치하여유체의흐름과유량을제어

하는장치로사용되고그종류와크기가매우다양하다.

그중버터플라이밸브는협소한공간에서도설치가가능하며초 형사이즈에적합하며

디스크의 작동 토크를 줄이기 위해 중심형구조, 2중 편심구조, 3중 편심구조로 발전되어

왔다. 3축편심버터플라이밸브는형상이복잡하여제작시간과제작비용이크고 형화가

될수록 열과 하중에 한 신뢰성과 안전성이 보장되어야 한다. 지금까지 버터플라이 밸브

에 한연구는누설, 유동특성, 최적설계등에 해이루어졌다.

설계 단계에서 3축 편심 버터플라이 밸브를 구성하고 있는 부품들간의 간섭을 확인하고,

사용 온도에 한 열 변형을 확인하여 설계에 반 한다. 제품 가공 후 테스트하여수정하는

것보다 설계 단계에서 Femap with NX Nastran을 통한 설계 검증은 비용과 시간 절

감 효과를 볼 수 있기 때문에 이 해석은 매우 중요하다. 본 해석에서이를 위한 일련의 해석

과정을소개하는데해석조건, 온도분포해석, 구조해석등이포함된다.

해석 프로세스

전반적인 해석 프로세스는 <그림 1>과 같다. 단순화 작업을 거친 모델은 3D 메시를 생성하

게된다. 3D 메시의종류에는크게사면체(Tetra) 메시, 육면체(Hexa) 메시가있다. 육면체메

시는해의오차가적지만생성조건이까다롭고수작업이많다. 사면체메시는해의오차가큰

반면, 빠르고손쉽게메시를생성할수있어설계자가사용하기에적합하다. 그래서이해석에

서는사면체메시를사용한다. 생성된메시에사용온도와하중그리고경계조건을부여한다.

솔버는NX Nastran을사용하 으며해석결과는온도분포, 변형량, 응력분포를확인한다.

Femap을이용한해석사례�

이번 호에서는 Femap with NX Nastran을 이용하여 3축 편심

버터플라이 밸브 구조해석을 수행한 사례를 소개하고자 한다.

다우테크에서CAE 분야기술지원을담당하고있다.

E-Mail │ swjoo@dawoo-tech.co.kr

홈페이지 │ http://www.dawoo-tech.co.kr

주상우

3축편심버터플라이밸브해석

170∙C 2008/12

nalysisA

■연재순서■

제1회Femap 개요및V10 소개

제2회 3축편심버터플라이밸브해석

제3회볼트체결력해석

제4회 FEMFAT과연계한피로내구수명예측

제5회비선형해석사례

제6회실제디자인활용

3D 모델링

솔리드엣지

기타 CAD 파일

단순화

Attached Condition

하중 조건

접촉 조건

변위

응력 분포

4면체 메시(3D) NX Nastran

요소 생성 경계, 하중 조건 해석 수행 결과

그림 1. 해석 프로세스

2008/12C∙171

유한 요소 해석

해석모델

3축 편심 버터플라이 밸브는 <그림 2-a>와 같이 크게 바디, 축,

디스크로 조립되어 있으며 크기는 80인치이다. 디스크를 개폐하는

액추에이터(Actuator)는 액추에이터 조립 부분에 설치되어 축을

회전시킨다. 섭씨 300도의 고온 가스가 관내에 흐르기 때문에 축

방향의열변형으로간섭이발생한다. 이를방지하기위하여축방향

으로디스크와축의위치를조절할수있는볼트가설치되어있다.

모델 단순화 작업 및 불러오기

Femap with NX Nastran은범용CAD 파일을불러올수있

으며, 특히솔리드엣지와같은벨로시티시리즈(Velocity Series)

제품군으로 솔리드엣지에서 모델링을 하고 솔리드엣지 내에서

Femap with NX Nastran(이하 Femap)을 실행하면 <그림

3>과같이별도의데이터변환과정없이모델을불러들일수있다.

버터플라이 밸브는 3축이 편심되어 있어서 칭조건에 맞지 않아

전체모델을사용한다. 바디, 디스크, 축외의해석에불필요한부품

및구멍(hole)을제거해준다. 그리고축과디스크는같은재질이고

같이움직이므로하나의솔리드로적용하 다.

Femap으로 불러들인 모델 파일에 변경 사항(설계 변경)이 있다

고하면<그림4>와같이저장된파일을열때변경사항을인식하고

3D 모델을자동으로업데이트할수있다. 이는설계변경에바로

응함으로써설계시간단축에기여한다.

재질 정의

이번 해석에서 사용된 재질은 바디에 ASTM A216 Grand

WCB, 디스크와 축에 ASTM A351 Grand CF8M을 사용하

으며, 물성입력창에서입력하거나<그림5>와같이라이브러리에저

장되어있는물성을수정하여사용하면쉽게물성정의를할수있다.

Femap을이용한해석사례�

바디

액추에이터 조립

축 방향 길이 조절 볼트

디스크

그림 4. 모델 파일 수정 후 업데이트 여부 확인

그림 5. 물성 입력창과 라이브러리

그림 2. 버터플라이 밸브

(a) 조립상태

(b) 분해도

(a) 솔리드엣지 작업창

(b) Femap 작업창

그림 3. 솔리드엣지와 Femap 작업창 비교

접촉(Contact) 정의

Femap에서는 솔리드 간의 접촉을 사용자가 하나씩 설정해 줄

수도 있고 Automatic Connections 기능을 사용하여 설정한

공차범의내에드는면들을자동으로접촉면으로설정해준다.

접촉의종류에는마찰계수를입력하는접촉과완전하게붙어있는

Glued Contact가있다. <그림6>과같이바디와축의접촉면은

0.3의 마찰계수를 갖는 선형 접촉을 적용하여 하중에 의해 축이 변

형할때바다와의간섭을보고자한다.

유한요소 크기 설정 및 생성

Femap은 사면체 메시와 육면체 메시를 생성할 수 있지만 설계

자입장에서쉽고빠르게생성할수있는사면체메시를사용하 다.

Femap은형상전체의메시크기를설정하거나선이나면을선택하

여 부분적으로 다른 크기를 설정할 수 있으며 솔리드의 모든 면을

2D 메시 생성 후 사면체 메시를 생성할 수 있다. 메시의 크기는

20mm로하 으며<그림7>과같이메시를생성하 다.

온도분포해석

경계 및 하중 조건

3축 편심 버터플라이 밸브 내부에 흐르는 유체의 온도는 섭씨

300도이고 외부는 기온도 섭씨 20도에 사용되고 있다. 이 해석

에서 밸브 내부의 온도는 섭씨 300도, 외부 온도는 섭씨 20도이며

바디와 기는 류에의한전도로 류계수를지정하여정적열전

달해석으로진행한다. Femap의열전달해석은TMG 패널을사

용하여경계조건을부여한다.

해석 결과

3축 편심 버터플라이 밸브의 온도 분포 결과를 확인한다. <그림

10>에서 확인할 수 있듯이 밸브 내부는 300도에서 축의 말단부는

24도까지분포한다.

구조해석

경계 및 하중 조건

실제 3축 편심 버터플라이 밸브가 사용되는 조건은 열과 압력이

동시에작용한다. 이조건을해석에서구현하기위해열구조연성해

석이 필요하다. 앞서 온도 분포를 확인하 는데, 이 온도 분포와 내

부 압력(11bar)의 하중 조건을 입력함으로써 열 구조 연성 해석을

구현할수있다.

<그림 11>과 같이 From Output에서 Temperatures를 선

택을하여Output Set에서온도분포해석결과의Node Temp

172∙C 2008/12

nalysisA

그림 7. Femap으로 생성한 메시

그림 10. 온도 분포 결과

그림 8. TMG 패널에서의 온도 경계조건

그림 9. 내부 온도와 류 조건이 부여된 면

(a) 내부 온도 면 (b) 류 조건 면

그림 6. Femap에서의 접촉 정의

2008/12C∙173

를선택하여구조해석에열전달해석결과를반 할수있다.

온도 분포를 입력한 후 3축 편심 버터플라이 밸브 내부 면을 선택

하여 11bar의 압력을 입력한다. 구속 조건은 <그림 12>와 같이 축

방향길이조절볼트부의축과바디의엣지를X축이동을구속하고

축의양끝을Z축이동을구속한다.

해석 결과

Select Post Processing Data에서 Deformation은

Total Translation, Contour는 Solid Von Mises

Stress를선택하여결과를살펴본다.

그 결과 <그림 13>에서 디스크의 축 방향 변형은 9.6mm, 바디

의 축 방향 변형은 6.2mm로 간섭이 발생하여 밸브의 역할을 못하

게된다. 이는축방향길이조절볼트를간섭양(3.4mm)만큼풀어

주어사전에예방할수있다.

<그림14>의응력분포에서는축과바디간섭에의해문제점을발

견하 다. 11bar의압력에의해축의휨으로바디와간섭이되어높

은응력이발생하 다. 이는<그림15>와같이모델을수정하여<그

림16>의결과와같이문제를해결할수있었다.

맺음말

본해석에서소개한3축편심버터플라이밸브의열구조연성해석

은부품들간의간섭을확인하고사용온도와압력에 하여변형및

응력분포결과를검토하 다.

Femap을이용한해석사례�

그림 16. 모델 수정 후 응력 분포

그림 14. 축과 바디의 간섭에 의한 응력 분포

그림 11. 열 구조 연성해석을 위한 온도분포결과 입력

그림 12. 열 구조 연성해석을 위한 경계 조건

그림 13. 해석 결과

(a) 축방향 변형량 (b) 디스크와 바디의 간섭부

그림 15. 모델 수정

(a) 수정 전 (b) 수정 후

11bar의 압력

볼트 체결로 사이 간격 유지로 X축 이동 구속

엣지나 노드Z축 이동 구속

▶

디스크 : 9.6mm

바디 : 6.2mm

■ 온도 분포 해석에서 내부는 300도, 축 말단부는 24도의 온도 분포를 확

인하 다.

■ 섭씨 300도의 사용 온도에서 축 방향으로 디스크는 9.6mm, 바디는

6.2mm 변형되어 3.4mm의 간섭이 발생하 다.

■ 축과 바디에서 발생한 높은 응력은 11bar의 내부 압력에 축이 변형되어

바디와 간섭으로 발생한 것이다.