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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 발행연도
- 2014
- 저작권
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이용수4
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액셜 피스톤 펌프 내 유압유 유동에 대한 수치해석과 펌프 최적설계
Numerical Analysis of the Hydraulic-Fluid Flow within an Axial Piston Pump and Pump Design Optimization
기계공학과 정 종 현
지 도 교 수 서 용 권
액셜 피스톤 펌프는 유압시스템의 동력원으로 널리 사용되고 있으나, 펌프내의 유체유동에 관한 연구는 유체 압축성, 고속회전, 유량변화와 복잡한 형상 때문에 1차원 및 2차원 해석으로 수행되어졌다. 그러나 펌프내의 특정 영역에서 발생하는 불안정 유동 특성인 압력 맥동 및 실린더 내부의 캐비테이션과 관련된 펌프의 성능 개선을 위하여 적용하기에는 많은 어려움이 있다. 본 연구는 액셜 피스톤형 유압펌프의 소음과 맥동의 근본 원인인 실린더내 압력 변화에 대한 메커니즘을 이해하고, 압력 맥동 실험, 수치해석, 다목적최적설계 기법을 통해 액셜 피스톤 펌프의 설계를 위한 체계적인 연구 수행의 결과이다.
CFD해석과 비교하기 위한 압력 맥동 실험에서 회전하는 실린더 보어의 압력 측정을 위한 압력센서와 계측기간의 연결을 위해 슬립링을 이용하였다. 또한 부하조절을 위해 압력 맥동에 영향을 주지 않는 스로틀 밸브를 이용하고 회전수와 온도를 일정하게 유지한 조건으로 맥동파형 데이터를 획득하였다.
액셜 피스톤 펌프내의 유압유체 유동과 토출압 맥동의 생성과정을 이해하기 위하여 3차원 수치해석을 수행하였다. 시뮬레이션 모델의 수렴성 향상 및 강건성 확보를 위하여 밸브 플레이트 주위의 격자계 품질을 높였으며, 유체의 압축성을 고려하여 밀도와 압력의 관계식을 적용하여 계산하였다. CFD 시뮬레이션 압력 맥동 결과는 실험결과와 정성적 및 정량적으로 잘 일치하였고 이를 정량화하기 위하여 PRMS 값을 구하였다.
액셜 피스톤 펌프의 최적설계를 위해서는 압력 맥동의 감소와 효율의 증가에 대해 동시에 고려할 수 있는 다목적최적설계 방법으로 접근하였다. NSGA-II와 크리깅 메타모델기반의 다목적최적설계 전략을 3차원 CFD 시뮬레이션을 이용해 밸브 플레이트 형상을 최적화하는데 적용하였다. 최적설계 과정은 두 단계로 적용하였다. (1) 밸브 플레이트 성능은 압력 맥동 감소와 효율을 최대화하기 위해 형상 설계 변수를 변경하여 최적화 하였다. (2) NSGA-II에 기반한 다목적최적설계는 액셜 피스톤 펌프의 요구 성능에 대해 파레토 프론트를 평가하고 최소 압력 맥동을 가지며 액셜 피스톤 펌프의 목표 효율에 도달하는 최적 절충해를 얻었다.
따라서 본 연구의 결과는 액셜 피스톤 펌프의 핵심 설계 파라미터인 밸브 플레이트의 오리피스와 노치의 형상 및 위치 변화에 따른 펌프의 압력 맥동, 효율 그리고 캐비테이션 간의 상관관계를 밝히는 실질적이고 중요한 연구 자료가 될 것으로 생각된다.
주요어:액셜 피스톤 펌프(Axial Piston Pump), 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics), 압력맥동(Pressure Pulsation), 캐비테이션(Cavitation), 다목적최적설계(Multiobjective Optimization), 크리깅 메타모델 (Kriging Metamodel)
Numerical Analysis of the Hydraulic-Fluid Flow within an Axial Piston Pump and Pump Design Optimization
기계공학과 정 종 현
지 도 교 수 서 용 권
액셜 피스톤 펌프는 유압시스템의 동력원으로 널리 사용되고 있으나, 펌프내의 유체유동에 관한 연구는 유체 압축성, 고속회전, 유량변화와 복잡한 형상 때문에 1차원 및 2차원 해석으로 수행되어졌다. 그러나 펌프내의 특정 영역에서 발생하는 불안정 유동 특성인 압력 맥동 및 실린더 내부의 캐비테이션과 관련된 펌프의 성능 개선을 위하여 적용하기에는 많은 어려움이 있다. 본 연구는 액셜 피스톤형 유압펌프의 소음과 맥동의 근본 원인인 실린더내 압력 변화에 대한 메커니즘을 이해하고, 압력 맥동 실험, 수치해석, 다목적최적설계 기법을 통해 액셜 피스톤 펌프의 설계를 위한 체계적인 연구 수행의 결과이다.
CFD해석과 비교하기 위한 압력 맥동 실험에서 회전하는 실린더 보어의 압력 측정을 위한 압력센서와 계측기간의 연결을 위해 슬립링을 이용하였다. 또한 부하조절을 위해 압력 맥동에 영향을 주지 않는 스로틀 밸브를 이용하고 회전수와 온도를 일정하게 유지한 조건으로 맥동파형 데이터를 획득하였다.
액셜 피스톤 펌프내의 유압유체 유동과 토출압 맥동의 생성과정을 이해하기 위하여 3차원 수치해석을 수행하였다. 시뮬레이션 모델의 수렴성 향상 및 강건성 확보를 위하여 밸브 플레이트 주위의 격자계 품질을 높였으며, 유체의 압축성을 고려하여 밀도와 압력의 관계식을 적용하여 계산하였다. CFD 시뮬레이션 압력 맥동 결과는 실험결과와 정성적 및 정량적으로 잘 일치하였고 이를 정량화하기 위하여 PRMS 값을 구하였다.
액셜 피스톤 펌프의 최적설계를 위해서는 압력 맥동의 감소와 효율의 증가에 대해 동시에 고려할 수 있는 다목적최적설계 방법으로 접근하였다. NSGA-II와 크리깅 메타모델기반의 다목적최적설계 전략을 3차원 CFD 시뮬레이션을 이용해 밸브 플레이트 형상을 최적화하는데 적용하였다. 최적설계 과정은 두 단계로 적용하였다. (1) 밸브 플레이트 성능은 압력 맥동 감소와 효율을 최대화하기 위해 형상 설계 변수를 변경하여 최적화 하였다. (2) NSGA-II에 기반한 다목적최적설계는 액셜 피스톤 펌프의 요구 성능에 대해 파레토 프론트를 평가하고 최소 압력 맥동을 가지며 액셜 피스톤 펌프의 목표 효율에 도달하는 최적 절충해를 얻었다.
따라서 본 연구의 결과는 액셜 피스톤 펌프의 핵심 설계 파라미터인 밸브 플레이트의 오리피스와 노치의 형상 및 위치 변화에 따른 펌프의 압력 맥동, 효율 그리고 캐비테이션 간의 상관관계를 밝히는 실질적이고 중요한 연구 자료가 될 것으로 생각된다.
주요어:액셜 피스톤 펌프(Axial Piston Pump), 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics), 압력맥동(Pressure Pulsation), 캐비테이션(Cavitation), 다목적최적설계(Multiobjective Optimization), 크리깅 메타모델 (Kriging Metamodel)
목차
Ⅰ. 서 론 11. 연구 배경 12. 연구 목적과 구성 4Ⅱ. 액셜 피스톤 펌프의 작동 원리와 기초이론 6Ⅲ. 실험장치의 구성과 실험방법 및 결과 121. 실험장치의 구성 및 실험방법 122. 실험결과 및 요약 16Ⅳ. 유압유 유동에 대한 수치해석 191. 펌프의 기하학적 모델링 192. 격자 생성 223. 유체 물성 254. 해석조건 및 방법 285. 해석 결과 및 분석 33가. 속도분포 33나. 압력 맥동 35다. 캐비테이션 47Ⅴ. 다목적 최적설계 531. 최적설계의 구성과 과정 53가. 크리깅 메타모델 56나. 목표계획법기반 다목적 최적설계 582. 최적설계 결과 및 요약 60가. 설계변수와 전산실험계획 60나. 다목적 최적설계문제의 정식화 64다. 파레토 최적해 693. 압력 맥동, 효율과 캐비테이션의 상관관계 78Ⅵ. 결 론 83참고문헌 85부 록 91Abstract 116
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