근사 모델기반 메타모델을 이용한 세그먼트 볼밸브의 형상 최적설계에 관한 연구

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 세그먼트 볼 밸브의 형상 최적 설계 프로세스에 관한 연구이다. 밸브는 유동 및 압력을 조절하는 장치로써 유체의 차단 및 수송, 유량 제어, 유체 방향 전환, 역류 방지, 압력 제어 및 감압 등의 목적으로 사용된다. 이와 같은 다양한 환경과 운전 조건에서 밸브가 원활히 작동되기 위해서는 사용 목적에 적합하도록 설계되어야 하고 또한 구조적 안전성을 만족해야 한다. 따라서 본 연구에서는 압력손실계수의 감소와 요구 강도를 만족하는 세그먼트 볼 밸브의 형상 최적 설계를 수행하였다.
본 연구에서는 볼 밸브와 버터플라이 밸브의 장점이 결합된 세그먼트 볼 밸브를 고안하였다. 각 밸브들의 장단점을 살펴보면 다음과 같다. 일반적으로 볼 밸브는 유체의 급속 차단이 요구되는 배관 시스템 또는 단순 개폐 시스템에 설치되며, 구조상 완전개방 시 유체가 흐르는 통로에 저항 요소가 없어 유량 손실을 최소화할 수 있는 장점을 가지고 있다. 반면에 버터플라이 밸브는 완전개방 시 폐쇄 요소가 유로 중앙에 위치함으로써 유량 손실을 가져온다. 버터플라이 밸브의 경우 배관의 직경이 동일할 때 볼 밸브보다 밸브의 면간 거리가 짧아 중량 측면에서 유리하며 또한, 좁은 공간에 설치가 가능하다.
세그먼트 볼 밸브의 형상 최적화를 위해 메타모델은 반응표면법과 크리깅 내삽법을 사용하였고, 메타모델을 구성하기 위한 실험계획법은 라틴하이퍼큐브 방법을 사용하였다. 본 연구에서, 유한요소해석 시 유한요소모델의 형상 설계 변수는 CAD 모델에서 정의된다. 또한 메타모델을 구성하기 위해, 각 표본점에서 압력손실계수와 최대응력의 반응치를 계산하였다. 메타모델은 간단한 수학적 표현으로 대체되며, EXCEL 프로그램의 GRG(generalized reduced gradient) 알고리듬을 통해 최적해를 산출할 수 있다. 형상 최적화의 경우 메타모델을 사용하면 최적해를 찾기 위해 소요되는 계산시간을 단축시킬 수 있다.
세그먼트 볼 밸브의 압력손실계수와 최대 응력을 예측하기 위해 유동 해석과 유동구조연성(fluid-structure interaction) 해석을 수행하였다. 유동 해석을 위해 CFX를 사용하였고 유동구조연성 해석을 수행하기 위해 CFX와 ANSYS Workbench를 사용하였다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서 론 1
• Ⅱ. 세그먼트 볼 밸브 3
• Ⅲ. 메타모델을 이용한 세그먼트 볼 밸브의 형상 최적설계 5
• 1. 크리깅 이론 5
• 2. 최적설계 정식화 및 절차 8
• Ⅳ. 세그먼트 볼 밸브의 해석 12
• 1. 유동 해석 12
• 2. 압력손실계수의 계산 17
• 3. 유동구조연성 해석 19
• V. 최적화 결과 27
• Ⅵ. 결론 33
• 참고문헌 34
• ABSTRACT 36