엔진 어셈블리 구조해석

2.1 어셈블리 해석

엔진 어셈블리 모델은 엔진블록, 실린더 헤드, 헤드개스킷, 볼트로 구성된다. 엔진 어셈블리 응력해석의 경우 일반적으로 사용하는 요소는 육면체요소나 사면체요소이다. ABAQUS⁵⁾를 활용한 해석의 경우, 해석의 효율성과 정확도를 고려한 육면체 요소인 C3D8I⁵⁾요소를 사용하거나 접촉의 정확도가 개선된 사면체 요소인 C3D10M⁵⁾ 요소를 사용한다. Fig. 1에는 해석에 사용된 변위 경계조건을 나타내었고 Fig. 2에는 약 120만개의 노드와 70만개정도의 C3D10M으로 구성된 엔진 어셈블리 전체모델을 나타내었다. 해석에 사용된 Workstation의 주요 사양은 Intel Xeon CPU, 32Gb RAM 이며 소성재료모델의 사용여부에 따라 2-4일 정도의 물리적 시간이 해석에 소요되었다. 해석에 사용된 체결 하중과 가스압은 Table 1에 정리하였고 높은 응력의 발생이 예측되는 부분에서는 2-3 mm, 그 밖의 부분에서는 5-7 mm 크기의 요소를 사용하였다.

Fig. 1

Displacement boundary condition in engine assembly analysis

Fig. 2

Components of engine assembly model (From the top, crank case, cylinder head, head gasket, head bolt, valve seat insert, valve guide)

Table 1

Load conditions in engine assembly analysis

엔진 어셈블리 모델 해석에서 결과를 도출할 수 있는 각각의 구성품의 주요 해석 내용은 Fig. 3에 정리하였다. 변형 형상이나 취약부에서 응력 및 피로 해석, 개스킷의 밀폐 해석 등이 주요 내용이다. Loading/unloading 시 다른 거동을 나타내는 헤드 개스킷의 거동을 모사하기 위하여 ABAQUS⁵⁾의 개스킷 요소를 사용하였다. 개스킷 요소는 Loading/unloading 조건 하에서의 Hysteretic loops 거동을 나타낼 수 있고 개스킷의 서브 구성요소인 Firing Ring, Gasket body의 기계적 거동을 분리하여 나타낼 수 있다. 볼트 체결하중은 ABAQUS⁵⁾에서 제공하는 Pre_ tension기능을 사용하여 예하중(Preload)을 직접 적용한다. 엔진 어셈블리모델은 정확한 대칭성을 지니고 있진 않지만 해석의 용이함을 위하여 일반적으로 I 엔진의 경우는 1/2 모델, V 엔진의 경우 1/4 모델을 사용한다. 또한 작용 하중도 대칭이 아니지만 역시 해석의 용이함으로 인해 대칭 경계조건을 사용한다. 이 경우, 대칭면에서의 결과값의 정확도 손실이 발생할 수 있다. 캠보어와 메인베어링 정렬해석(Cam bore & Main bearing bore alignment)의 경우는 대칭 모델이 아닌 전체 모델을 사용한다.

Fig. 3

Analysis types in the engine assembly structural analysis

엔진어셈블리 모델에 대한 유한요소 해석의 흐름도는 Fig. 4에 나타내었다. 전체 해석상의 전처리(Pre-processing), 처리(Processing), 후처리(Post-processing)과정을 자세히 나타내었다. 엔진어셈블리 모델에 연속적으로 작용하는 하중조건은 Fig. 5에 나타내었다. 하중 적용절차는 실제 엔진 제작과정에서의 조립절차와 엔진 작동하중 하에서의 절차를 따라서 유사하게 나타내었다. FE 모델에서의 엔진 작동하중은 기계적 하중, 기계/열 하중, 기계/열/연소 하중으로 구분되어 나타내었다. 기계적 하중은 접촉, Press-fit, 볼트 체결에 의한 하중을 모사하며 열 하중은 엔진 작동시 발생하는 온도장을 모사하여 나타낸다. 마지막으로 연소하중은 최대연소압력(Peak combustion pressure)에 의한 하중을 나타낸다.

Fig. 4

Procedures of engine assembly FE analysis

Fig. 5

Loading sequence of engine assembly model

헤드볼트로 체결된 엔진블록/헤드/개스킷 어셈블리에 대한 해석이 Fig. 5와 같은 하중조건을 적용하여 완료되면 Fig. 3에 나타낸 것과 같이 각각의 부 구성품(Sub component)에 대한 해석 결과를 도출해 낼 수 있다. 각 구성품에 대한 해석 결과는 구성품의 설계요구사항의 적합성에 대한 평가를 가능하게 한다. 엔진 어셈블리의 주요 구성품 간의 강성에 대한 개략도를 스프링 모델로 Fig. 6에 나타내었다.

Fig. 6

Head bolt spring representation with serial spring connections of head, gasket, and block

2.2 엔진 블록 해석

엔진 블록 해석에 대한 흐름도를 Fig. 7에 나타내었다. 엔진블록 모델은 개스킷, 헤드 등 다른 어셈블리 구성품과의 경계면에서의 정확한 강성 경계조건을 만족하기 위하여 단독 모델이 아닌 어셈블리 모델해석을 사용한다. 여기서, 강성 경계조건은 열하중, 볼트체결하중, 엔진폭발하중 작용시에 정확한 하중의 전달경로를 나타낼 수 있어서 보다 정확한 엔진 블록의 거동을 나타낼 수 있다.

Fig. 7

Engine block FE analysis flow chart

실린더 보어 찌그러짐 해석(Cylinder bore distortion)의 경우에서 해석 결과에 영향을 미치는 주요 설계변수는 Deck 상단의 두께(Top deck thickness), 라이너 벽 두께(Liner wall thickness), 측면 벽 두께(Side wall thickness), 헤드 볼트의 크기, 위치, 하중 등이다. 상대적으로 작용하중의 영향을 많이 받는 하부 블록의 벌크헤드 응력해석(Bulkhead stress analysis)의 해석 결과에 영향을 미치는 주요 설계변수는 벌크헤드의 두께(Bulkhead thickness), 베어링크러쉬 량(Bearing crush amount), 벌크헤드 통기창의 설치 여부, 헤드 볼트의 크기, 길이, 수량, 하중 등이다.⁶⁾

엔진블록 모델해석에서 관찰이 필요한 주요 설계 변수는 헤드 볼트 위치, 헤드볼트 길이, 엔진보어 찌그러짐(Distortion), 캠축지지, 벌크헤드, 메인베어링 캡 등이다. 헤드볼트의 위치와 길이는 엔진보어 찌그러짐과 깊은 연관이 있으며 엔진보어 찌그러짐은 엔진의 성능에 큰 영향을 미친다. 엔진블록은 전단 잠김(Shear locking)에 대한 영향을 줄이기 위하여 육면체요소를 사용한 FE모델은 C3D8I⁵⁾요소를 주로 사용한다.

2.3 엔진 실린더헤드 해석

엔진 실린더헤드 해석 프로세스에 연관된 해석에 대한 흐름도를 Fig. 8에 나타내었다. 실린더헤드 해석에 작용하는 하중순서는 Fig. 5에 나타내었다. 실린더헤드는 가장 높은 응력을 받는 엔진 구성품 중의 하나이다. 높은 연소압(High combustion pressure), 높은 온도 및 구배(High temperature & gradient), 구성품간의 이종 재료(Dissimilar material among the components), 흡/배기 밸브 홀 사이의 좁은 공간 같은 물리적 조건 및 하중 조건들은 높은 응력 발생의 원인이다. 또한 엔진 경량화 추세에 따른 알루미늄 헤드의 적용은 저주기피로(Low cycle fatigue) 방지 설계 방법에 대한 연구를 필요로 한다.⁷⁾

Fig. 8

Cylinder head FE analysis flow chart

엔진 실린더헤드의 응력 집중 부분 중 가장 위험한 부분(Critical region)은 흡/배기 밸브 사이의 밸브 브리지(Valve bridge) 부분이다. 크랙은 보통 점화플러그 나사산 부위나 흡/배기 통로(Intake/exhaust port)에서 시작한다.⁸⁾ Fig. 9에는 1번 실린더에 폭발하중이 작용하였을 때의 응력 분포를 나타내었다. 흡/배기 밸브 통로 사이에서 높은 응력상태(Hot spot)가 나타남을 확인할 수 있다.

Fig. 9

Contour plat of Von-Mises stress at firing

실린더헤드의 경우도 C3D8I⁵⁾요소를 사용한 육면체요소 FE모델이 추천되지만 대부분의 경우 메시 작업시간을 단축하기 위하여 사면체 요소인 C3D10M⁵⁾요소를 사용한 자동메시(Automatic meshing)방법을 활용한다.

2.4 엔진 실린더헤드 개스킷 해석

엔진 실린더 헤드개스킷에 사용되는 다층 강 개스킷(Multi-layered steel gasket)의 두께 방향 거동은 복잡한 양상을 나타낸다. 개스킷의 두께와 초기 갭(Initial gap)은 실린더 보어와 오일/개스 홀(Hole)에서의 밀폐압력(Sealing pressure)을 충족시키기 위하여 개스킷의 위치에 따라 다른 두께를 사용한다. 적합한 접촉압력을 유지하기 위하여 작용되는 헤드볼트 하중의 증가는 엔진 블록과 헤드의 찌그러짐(Distortion)현상에 영향을 준다.⁹⁾ 헤드 개스킷의 두께 방향 거동에 대한 정확한 모델링은 이러한 찌그러짐의 예측을 가능하게 한다. 개스킷의 두께는 길이나 폭에 비해서 상대적으로 매우 얇아서 일반적인 3D 요소를 사용하여 메시(Mesh)를 구성하면 적합한 요소 품질을 유지하기 위해서는 두께 방향으로 많은 요소를 생성하게 된다. 또한 개스킷은 압축 하중이 가해지면 두께 방향으로 비선형 거동을 나타내는 반면에 면내 방향으로는 변형이 작고 선형거동을 나타낸다. 일반적인 3D요소는 이러한 거동을 나타내는데 어려움이 있으므로 이러한 목적에 활용하기 위해 개발된 개스킷요소를 이용하면 해석 결과나 해석 효율 면에서 장점을 지니게 된다. ABAQUS⁵⁾에서 제공하는 개스킷 요소(GK3D6, GK3D8)들은 개스킷의 위치에 따른 두께 변화량을 초기 갭(Initial gap)을 사용하여 나타낼 수 있다. 실린더 보어 부근의 개스킷 Fire ring은 충분한 밀폐 압력을 유지하기 위하여 다른 개스킷의 부분보다 두꺼운 두께를 지니는데 개스킷 요소는 이러한 물리적 특성을 나타낼 수 있다. 개스킷의 두께 방향거동은 실제 압력-닫힘 곡선(Pressure-closure curve) 테스트 결과를 사용하여 나타낸다.

엔진 실린더헤드 개스킷 해석에 대한 설계변수 프로세스 흐름도를 Fig. 10에 나타내었다.

Fig. 10

Engine head gasket FE analysis flow chart

어셈블리상태나 작용하중 하에서의 헤드 개스킷의 Fire ring 부분의 접촉압력은 개스킷의 밀폐성능을 예측하는데 사용된다. Fig. 11에는 헤드개스킷의 접촉압이 개스킷 바디부보다 높은 실린더보어와 근접한 Fire ring 부분의 접촉압을 보여준다. Fire ring 부분의 접촉압은 적색으로 표시되었다. 실린더 헤드 개스킷은 블록과 헤드사이에서 연소 가스, 냉각수, 윤활유의 밀폐 작용을 하며, 엔진 블록과 실린더 헤드와의 적절한 접촉 압력을 유지 못할 경우에 누출이 발생한다. 일반적으로 누출을 방지하기 위해서는 해석에서 계산된 Fire ring 부분의 접촉 압력의 크기가 개스킷/헤드, 개스킷/블록간의 상대적 운동을 제한하여야 한다.

Fig. 11

Contour plots of contact pressure of the head gasket

2.5 엔진 실린더헤드 볼트

헤드 볼트는 블록/헤드/개스킷으로 이루어진 어셈블리를 체결한다. ABAQUS⁵⁾의 ‘Pre_tension’기능은 볼트 체결력을 자동으로 제공하는 기능이다. ‘Pre_tension’기능은 실제 볼트와 같이 지정된 정확한 볼트하중을 구성품간의 체결에 작용하고 어셈블된 전체 구조체에 외부하중이 작용하면 구조체의 반응에 상응하여 하중이 변화하도록 한다. 이러한 기능은 열하중, 연소하중을 반복적으로 받는 엔진어셈블리의 헤드 볼트에 적용하는데 유용하다.

엔진 블록과 체결되는 헤드 볼트의 첫 번째 나사산을 통하여 약 80 % 정도의 하중이 전달되고 나머지 나사산에서의 하중은 점차로 감소되는 경향을 나타낸다.¹⁰⁾ 그러므로 실제 나사산의 형상을 지닌 FE 모델이 아닌 보요소(Beam element)와 같은 간략화된 볼트 모델을 사용할 때는 적어도 3번째 나사산까지는 정확한 나사산의 위치를 지정해야 한다.