한국산학기술학회논문지 Vol. 11, No. 1, pp. 43-48, 2010 초미립자살포기의설계및구조개선 이종선 1* 1 대진대학교컴퓨터응용기계설계공학과 Design and Structure Improvement of Ultra Low Volume Sprinkler Jong-Sun Lee 1* 1 Computer Aided Mechanical Design Engineering, Daejin University 요약본논문의목적은액체살포시사용되는초미립자살포기에대하여 SolidWorks를이용하여설계하고 3차원유한요소해석코드인 ANSYS를활용하여해석하였다. 해석결과로서응력, 변형률과전체변형량을구하였고이를활용하여초미립자살포기의구조를개선하였으며이러한방법은생산성향상과설계기간을단축할수있다. Abstract In this paper, structural analysis was conducted by designing a ultra low volume sprinkler applied to spray liquid and applying a ANSYS commercial code for three dimensional finite element method to the ultra low volume sprinkler. Based on this numerical structural analysis, stress, strain and total deformation were obtained and the structure improvement of the ultra low volume sprinkler was made along with improved productivity and shorten design period. Key Words : Ultra low volume sprinkler, Structure improvement, Finite element method, Total deformation 1. 서론 액체살포시초미립자란물을최대한적게사용한다는의미이며사용되는약제를고농도의분무용으로만들어살포하는것을말한다. 초미립자살포기는안개와같은원리를이용하여방제하는형태로서초미립자형태의입자는동일한크기로쪼개지면서분사되며, 분무약액이대상전체에부착된다. 입자크기가 0.5 ~ 50미크론 (micron) 이면안개와같은입자로고른살포능력과높은약제효과를보이지만 0.1 미크론이하면온도에따라입자가증발하여약효가떨어지고, 100미크론이하면안개와같이공중에떠있지못하고땅으로떨어지게된다. 그러므로방제효과를높이기위해서는분무형태를 100미크론이내의직경을가진물방울입자를사용해야한다. 현재많이사용되고있는동력분무기와초미립자살포기의입자크기를비교해보면동력분무기의일반적인입자는 400미크론이며초미립자살포기의일반적인입자는 50미크론이므로상대적으로초미립자살포기가상당히넓은면적을커버할수있다. 또한분무되는입자가크면살균대상전체에균일한효과를미치지못하는데초미립자살포기는입자가작기때문에와류현상으로인해살충, 방충대상의뒷부분에도약액이골고루흡착하게된다. 이와같은현상으로초미립자살포기로분무하면효율성이증가되고분무량을절감시키므로서공해및토양오염의저감은물론수송시간과비용을절감한다. 현재방역방제를위한약제살포에인력난, 인체에미치는악영향, 농약잔류, 토양오염문제등사회적으로문제가거론되고있는만큼이문제를해소하기위해서는초미립자살포기의사용이불가피하며, 선진국에서도널리사용하고있는추세이다. 초미립자살포기를생산하고있는회사에서는가공시많은시행착오를거쳐제품을생산하므로시간적낭비가크고재료비의부담이크며, 생산성도떨어진다. 특히초미립자살포기케이스에결합되는송풍기는분무에있어가장중요한역할을수행하는데 이논문은 2009 년도대진대학교학술연구비지원에의한것임. * 교신저자 : 이종선 (jongsun@daejin.ac.kr) 접수일 09 년 12 월 02 일수정일 10 년 01 월 11 일게재확정일 10 년 01 월 20 일 43
한국산학기술학회논문지제 11 권제 1 호, 2010 이송풍기의무게가가볍지않아케이스의변형이일어날수있다. 이와같은문제점을해결하기위하여초미립자살포기를 3차원설계프로그램인 Solidworks[1] 를활용하여설계하였다. 그리고 3차원유한요소해석코드인 ANSYS[2-3] 를활용하여설계된초미립자살포기에대하여유한요소해석 [4-6] 을수행하여응력, 변형률, 전체변형량등을구하였다. 또한현재생산하고있는초미립자살포기의크기를줄이기위하여 ANSYS를활용해해석된결과를활용해새롭게설계하므로서초미립자살포기의구조를개선하였다. 2. 초미립자살포기의모델링 [ 그림 2] 송풍기의형상 초미립자살포기를 SolidWorks를사용하여모델링하였다. 모델링은먼저전체의형상을볼수있도록모든파트를모델링하였으며, 여기서원활한해석을위하여간략화시키고, 불필요한부분은제거하였다. 그림 1은초미립자살포기의전체형상을모델링한결과이고그림 2는케이스에결합되는송풍기의모델링, 그림 3은분무액을이송하는노즐의모델링이다. 그림 4는초미립자살포기의전체적인사진이다. [ 그림 3] 노즐의형상 [ 그림 1] 초미립자살포기의전체형상 [ 그림 4] 조립된초미립자살포기 44
초미립자살포기의설계및구조개선 3. 초미립자살포기의해석 3.1 재료물성치 본해석에사용된초미립자살포기의재질은 Structural Steel로서물성치는표 1과같다.[7] 케이스와송풍기가나사를이용하여결합하고있으므로케이스와송풍기의나사구멍부분은세밀하게메쉬를분할하였다. [ 표 1] 구조용강의물성치 Structural Young's Modulus 2.e+011 Pa Poisson's Ratio 0.3 Density 7850. kg/m³ Thermal Expansion 1.2e-005 1/ C Tensile Yield Strength 2.5e+008 Pa Compressive Yield Strength 2.5e+008 Pa Tensile Ultimate Strength 4.6e+008 Pa Compressive Ultimate Strength 0. Pa Thermal Thermal Conductivity 60.5 W/m C Specific Heat 434. J/kg C Electromagnetics Relative Permeability 10000 Resistivity 1.7e-007 Ohm m [ 그림 5] 초미립자살포기의메쉬형상 3.2 메쉬 (mesh) 의형성 표 2는해석모델인초미립자살포기의메쉬 (mesh) 에대한세부사항이다. [ 표 2] 사용된메쉬 Object Name Mesh State Solved Defaults Physics Preference Mechanical Relevance 0 Advanced Relevance Center Coarse Element Size Default Shape Checking Standard Mechanical Solid Element Midside Nodes Program Controlled Straight Sided Elements No Initial Size Seed Active Assembly Smoothing Low Transition Fast Statistics Nodes 135962 Elements 66380 [ 그림 6] 송풍기의메쉬형상 3.3 하중조건케이스와송풍기가나사를이용하여결합하고있으므로나사구멍에 Force를주었다. 송풍기의무게가 5kg이므로 48N의하중을주었으며케이스의밑면은고정하였다. 그림 7과 8은각각케이스와송풍기의하중조건을나타낸다. 그림 5는초미립자살포기의메쉬형상을나타내고있으며 135,962개의절점과 66,380개의요소로구성되어있다. 그림 6은송풍기의메쉬형상을나타내고있다. 45
한국산학기술학회논문지제 11 권제 1 호, 2010 Minimum 0 m 7.3693e-021 m/m 1.4739e-009 Pa Maximum 1.0835e- 005 m 3.2511e-005 m/m 6.5022e+006 Pa Minimum Occurs On Part 7 Maximum Occurs On Part 7 Part 3 Information Time 1. s Load Step 1 Substep 1 Iteration Number 1 [ 그림 7] 케이스의하중조건 그림 9와그림 10은전체변형량을나타낸모습이고, 그림 11과그림 12는변형률, 그림 13과그림 14는응력의결과이다. [ 그림 9] 케이스의전체변형량 [ 그림 8] 송풍기의하중조건 3.4 초미립자살포기의해석결과 초미립자살포기의해석결과전체변형량, 변형률, 응력값은표 3과같다. Object Name State Geometry Type Display Time Total Deformat ion [ 표 3] 해석결과 Equivalent Elastic Strain Solved Scope All Bodies Definition Total Equivalent Deformat (von-mises) Elastic ion Strain Results End Time Equivalent Stress Equivalent (von-mises) Stress [ 그림 10] 송풍기의전체변형량 46
초미립자살포기의설계및구조개선 [ 그림 11] 케이스의변형률 [ 그림 14] 송풍기의응력 4. 수정설계 3차원유한요소해석코드인 ANSYS를이용하여해석한결과를바탕으로수정설계를하였다. 그림 15는수정된초미립자살포기의전체형상이고그림 16은수정된노즐의형상이다. [ 그림 12] 송풍기의변형률 4.1 기존모델과수정모델의차이점 (1) 케이스의크기가줄어들었다. 이에따라 door의크기도줄어들었다. (2) 노즐분사구에서분사되는용액이 Cleaner를닫았을경우밖으로새지않도록 Cleaner의구조를최적화시켰다. (3) 케이스의옆에달리던송풍기의위치를변경하므로서케이스와송풍기를이어주는 Blower bracket 이새로설계되었다. (4) 케이스에부착되던제어패널 (control panel) 을 Door 쪽으로가깝게설계함으로써조작이용이하게되었다. [ 그림 13] 케이스의응력 [ 그림 15] 수정된초미립자살포기 47
한국산학기술학회논문지제 11 권제 1 호, 2010 [5] 이종선, 트레드밀롤러의구조 / 진동해석, 한국공작기계학회논문집, Vol.14, No.2, pp. 62-68, 2005. [6] 이종선, 노르딕기구의진동해석, 한국산학기술학회논문지, Vol.7, No.5, pp.766-770, 2006. [7] James shakelford and William Alexander, "Material Science and Engineering Hand Book", CRC Press, 1994. 이종선 (Jong-Sun Lee) [ 종신회원 ] [ 그림 16] 수정된노즐의형상 5. 결론 초미립자살포기의기존모델에서는케이스에부착되는송풍기의무게때문에케이스가변형되는문제점을해결하기위하여 3차원유한요소해석코드인 ANSYS를활용하여해석을실시하였다. 해석결과를초미립자살포기의구조를개선하기위한기초설계자료로활용하였으며그결과는다음과같다. (1) 초미립자살포기의해석결과응력, 전체변형량, 변형률의최대값은각각 6.5022e+006 Pa, 1.0835e-005m, 3.2511e-005, 최소값은각각 1.4739e-009 Pa, 0 m, 7.3693e-021이다. (2) 해석시송풍기의무게로인하여케이스의옆면이휘는결과를얻었고, 이때전체변형량은송풍기가달리는케이스옆면아래에집중되었다. (3) 응력과변형률은송풍기와케이스옆면이부착되는나사구멍부분에집중되었다. (4) 기존모델의문제점을해결한수정설계데이터를제시하여구조를개선하였다. < 관심분야 > 최적설계, 생산공학 1982 년 2 월 : 국민대학교기계설계학과 ( 공학사 ) 1984 년 2 월 : 국민대학교기계공학과 ( 공학석사 ) 1996 년 2 월 : 국민대학교기계설계학과 ( 공학박사 ) 1996 년 3 월 ~ 현재 : 대진대학교컴퓨터응용기계설계공학과교수 참고문헌 [1] Solidworks User's Manual Revision 3.0, SolidWorks Co., 2006 [2] ANSYS User's Manual Ver.11.0, ANSYS Inc., 2008. [3] 태성에스엔이 FEA사업부, ANSYS Work brnch", 시그마프레스, 2007. [4] William Weaver, Jr. and R. Johnston, "Finite Elements for Structural Analysis". PRENTICE HALL, INC. 1993. 48