볼트 체결 및 풀림 해석을 위한 등가 모델 개발

초록

구조물 결합 방법으로는 볼트, 너트, 와셔 및 기타 부속물(가스켓, 플랜지)이 있으며 이중에서 볼트와 너트는 각종 기계 부품이나 구조물 체결 시 사용되는 대표적인 기계요소로서 체결력이 강하고 유지보수가 편리하며 비교적 저렴한 비용으로 체결을 구현할 수 있는 효율적인 부품이다. 따라서 대형 구조물부터 초소형 전자기기까지 광범위하게 사용된다. 그러나 체결 후 볼트 축의 수직 방향(횡 방향)으로 반복 하중이 가해지면 볼트가 풀리는 현상이 발생하게 된다. 이러한 풀림 현상은 자동차 및 생산 설비 등 주로 진동이 발생하는 시스템에서 매우 빈번하게 발생하는 현상으로 볼트-너트 결합체는 이러한 풀림 현상에 의한 위험이 항상 존재한다. 볼트에 관한 실험적 연구로는 체결부에 횡 방향 진동을 발생하여 볼트와 피체결체 간의 마찰계수의 변화를 측정 하였다. 풀림 실험은 너트 러너를 사용하여 체결 토크를 제어하며 가진기를 사용하여 횡 방향 진동을 인가하여 진행하였다. 그리고 피체결체와 로드셀을 함께 볼트를 체결한 후, 로드셀을 통해 축 방향 체결력의 변화를 측정하여 볼트 풀림을 분석하였다. 해석적 연구로는 볼트의 나사산 형상에 따른 체결 및 풀림 토크 해석에 관한 연구로, 표준 일반 나사의 나사산 높이와 나사산 폭을 설계인자로 하여 유한요소해석을 수행하였으며 최대 풀림 토크와 풀림 토크가 감소하는 기울기를 해석을 통해 예측하였다. 앞서 살펴본 내용처럼 볼트 풀림 메커니즘을 규명하기 위하여 실험적/해석적으로 일반적인 풀림현상을 구현하기 위한 연구가 진행되어 왔지만, 복합 구조물에 체결된 볼트의 풀림 현상 파악 및 해석에 대한 연구와 볼트 체결면의 형상 및 표면이 볼트 풀림에 미치는 영향 등에 대한 연구는 미미한 실정이다. 본 논문에서는 복합 구조물에 체결된 볼트를 실험 및 해석적으로 구현하였으며, 볼트-너트가 체결된 해석모델은 요소 수가 많고 접촉조건이 복잡하여 해석의 수렴성이 낮고 해석시간이 오래 걸린다는 문제가 있다. 따라서 다수의 볼트-너트가 체결된 모델의 경우 모든 체결부위에 적용하여 해석을 수행하는 것은 비효율적이다. 이에 따라 볼트-너트를 대신할 등가 모델(rigid-beam 모델, shell-beam 모델, beam-beam 모델)를 사용하여 볼트 체결의 특성은 유지하며 해석시간을 단축시킬 수 있는 등가모델을 개발하였다.