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ISSN : 1598-6721(Print)
ISSN : 2288-0771(Online)
The Korean Society of Manufacturing Process Engineers Vol.14 No.6 pp.69-76
DOI : https://doi.org/10.14775/ksmpe.2015.14.6.069

A Study on the Analysis of Thermal Durability due to the Configuration of Mortar

Moonsik Han*, Jaeung Cho**#
*Keimyung University Mechanical and Automotive Engineering Dept.
**Kongju National University Mechanical and Automotive Engineering Div.
Corresponding author : jucho@kongju.ac.kr Tel: +82-41-521-9271, Fax: +82-41-555-9123
September 23, 2015 November 3, 2015 November 4, 2015

Abstract

This study investigates the thermal efficiency and the efficiency of heat transfer through thermal analysis when the same heat is applied to a mortar frame by firing with various configurations of mortar. As the inside diameter of the mortar increases, the additional material must be reinforced. In comparison with the extent of getting cold due to models, a mortar with the strut under the gun barrel becomes cooler than one with no strut. The thermal deformation at firing becomes different. According to the configuration of mortar and its inside diameter, the extent of getting cold becomes different. This study result can be effectively applied for improving the efficiency of the heat transfer of mortar.


박격포의 형상에 따른 열적 내구성의 해석에 대한 연구

한 문식*, 조 재웅**#
*계명대학교 기계자동차공학과
**공주대학교 기계자동차공학부

초록


    1.서 론

    군에서 사용되는 화기의 종류로는 개인화기인 소 총으로부터 기관총과 같은 화기와 대대 및 중대에 서 사용되는 화기인 박격포 등이 있다. 그 중 유용 하게 적진에 발포를 할 수 있는 박격포로서 어떠한 모양과 크기의 박격포가 가장 그 효율이 뛰어나며, 더 내구성이 있게 오래 사용할 수 있는 설계를 고 려할 필요가 있다. 본 연구에서는 이러한 여러 가 지 조건들을 고려하여 어떠한 크기나 형상이 다른 박격포의 종류에 따라서 어떠한 부분에서 손상이 될 수 있고 오래 견딜 수 있는지에 대한 비교를 하 였다[1~4]. 그리고 박격포의 모델은 포의 구멍이 60 mm, 80 mm, 120 mm 등의 네 가지 모델들로 하였 다[5~9]. 또한 박격포의 모델은 CATIA를 이용하여 설계하였으며, ANSYS해석 프로그램을 이용하여 열 응력 해석을 실시하였다[10-13]. 따라서 본 연구를 통 하여 박격포의 형상에 따라 어떠한 부분에서 열전 달이 되어 손상이 되는 가를 파악할 수 있었다. 본 연구의 열 해석 결과를 고찰함으로서 박격포뿐만 아니라 여러 가지 기계기구나 구조물에 대하여 내 구성이 있는 형상을 설계하는 데에 효율적으로 활 용될 수 있을 것이라 사료된다.

    2.본 론

    2.1.연구 모델

    본 연구에서는 박격포를 모델로 삼고 박격포 포 가 발사되는 부분에 열을 가했을 때 박격포 전체에 서 나타나는 온도의 변화와 모델의 따라 다른 모습 들을 비교하였다. 또한 1000 초를 기준으로 열이 식을 때 모델의 모양에 따라 얼마만큼 빨리 박격포 의 온도가 떨어지는지에 대하여 실제 모델을 보고 CATIA를 이용하여 모델링한 후 ANSYS를 이용하 여 해석하였다. 네 가지 모델들의 형상들은 Fig. 1 과 같다. Fig 1. 에 Model 1부터 Model 4까지의 Geometry 파일을 순서대로 나열하였는데 각각의 모 델에 대해서는 먼저 Model 1의 박격포는 대만의 T75 라는 모델이며 포의 구멍의 크기는 81 mm 박 격포이다. Model 2의 박격포는 KM19 60 mm 박격 포로 한국의 박격포이다. Model 3의 박격포는 km181 60 mm 박격포이다. 마지막으로 Model 4의 박격포는 미 해병대 M327 EFSS 120 mm 박격포이 다.

    본 연구에 쓰이는 물성치는 Table 1과 같고, Model 1,2,3,4에 대한 요소 수와 절점 수는 Table 2 와 같다.

    2.2.4가지 모델의 모델별 열 해석 결과와 비교

    박격포 발사 시, 포 부분에 400°C 가량의 온도가 순간적으로 발사되기 때문에 400°C를 포신 밑바닥 에 주게 되었다. 또한 공기가 닿아 있는 모든 면에 서 대류조건을 주었다. 그리고 박격포 전체의 온 도 분포가 어떻게 되는지 ANSYS를 이용하여 해석 을 해보았다. 바닥 부분에 400°C의 열을 가하였을 때 박격포의 발사되는 부분의 크기에 따라서, 그리 고 각각의 모양에 따라서 온도분포가 다르게 나왔 다. 또한 박격포 내에서도 온도가 낮은 부분과 높 은 부분이 나뉘어져 나오게 되었다.

    Fig. 2의 네 개의 모델들의 열 해석 결과에 대해 서는 먼저 Model 1~4 모두 400°C 가량을 포신 밑바 닥에 가하였을 경우 포신의 크기와 두께에 따라서 그 온도의 범위가 다르다. 대체적으로 포신 끝과 포의 다리로 갈수록 차갑게 식고, 열을 가한 부분 은 뜨거운 상태가 됨을 알 수가 있다. 또한 받침대 는 100°C 가량에서 머물러 있는 것들을 볼 수가 있 다. 그리고 열 해석은 Model 1~4를 비교해 보았을 때 각각의 모델이 조금의 차이는 있지만 비슷한 모 양이므로 각각 모두 비슷한 열의 분포를 보인다.

    2.3.열에 의한 변형율에 대한 구조해석

    열이 너무 많이 가해지게 되면 아무리 강한 것이 라도 변형이 이루어지게 된다. 지면에 닿아 있는 포신의 면들은 고정시켰다. 그럼 종류에 따라서 박 격포는 어떠한 변형이 이루어지며 얼마만큼 견딜 수 있는지에 대해서 비교해 보았다.

    먼저 열이 가해짐에 따라 변형되는 정도를 각각 의 모델에 따라 보게 될 때 모델 각각의 최대로 많 이 변형이 일어나게 된 곳을 보게 되면 Model 1은 0.84 mm, Model 2는 0.56 mm Model 3은 0.35 mm Model 4는 0.94 mm 로 각각 나타나게 되었다. 이 것을 봤을 때 변형이 많이 일어나게 된 순으로 나 열하게 되면 Model 4, Model 1, Model 2, Model 3 순서로 많이 변형되었다. 이것은 분석해 보았을 때 포의 구멍의 크기에 따라 큰 순으로 각각 120 mm, 81 mm, 60 mm, 60 mm 순이 되겠다. 이것으로 보 아 변형량은 포의 구멍이 클수록 같은 온도를 주었 을 때 변형량이 큰 것으로 보인다. 열에 의한 변형 률에 대한 구조 해석을 각각 모델에 따라 비교를 해 보았을 때 모델의 모양은 거의 관련이 없고, 박 격포 포신의 끝 쪽인 포의 구멍의 크기에 따라서 크기가 큰 포 일수록 변형이 많이 일어나게 되는 것을 발견하였다. 또한 Fig. 3과 Fig. 4를 비교하게 되면 Fig. 4는 초기의 변형 상태이고 Fig. 3은 1000 초 후 변형 상태이다. 이를 비교했을 때 Model 2는 변화가 없고 나머지 다른 모델들은 모두 변형에 의 한 변화가 다시 작아진 것으로 보인다. 그 변화율 중 가장 큰 것은 Model 3이 0.5mm 가량의 변화로 가장 변화가 큰 것으로 사료된다. 다음은 응력에 의한 변화가 아닌 작용하는 응력에 대한 사진 또한 초기와 1000 초 후의 상태를 비교해 보도록 하겠 다.

    Fig. 5와 Fig. 6은 응력에 대해서 초기응력과 1000초 후의 응력을 나열한 사진들이다. 이를 비교 해봤을 때 Model 2는 응력이 줄어들지 않았고 나머 지 Model 3개는 각각 응력이 줄어드는 것으로 보인 다. Model 1은 1 MPa정도, Model 3은 80 MPa가량 그리고 Model 4는 19 MPa정도로 줄어들었고, Model 3이 가장 많이 줄어든 것으로 보인다.

    2.4.일정시간동안 식는 속도 비교

    Fig. 7은 1000 초가 경과된 후인 박격포를 모두 사용하고 나의 그 그릴의 식는 온도 분포들을 Model별로 보았다. 그리고 Fig. 8은 1000 초 동안에 Model 1, 2, 3 및 4에서의 식는 최대 온도들을 비교 하였다. 즉 각각의 박격포에 1000 초라는 일정한 시간동안 상온에 놔두었을 때, 얼마만큼 박격포의 각 부분의 온도가 원래 상태로 돌아가는가를 ANSYS 해석을 이용하여 해석하였다.

    Model 1~4를 1000 초라는 시간을 두고 보았을 때 식는 속도가 각각의 모양에 따라 비슷한 부분들 도 있었고, 모델 별로 차이가 좀 있는 것들도 있었 다. 전반적으로 각 모델별로 시간에 따라 일정시간 동안 상온에 놔두었을 때 식는 속도에 대한 비교의 결과로 열에 의한 변형률에 대한 구조해석과 동일 한 결과가 나왔다. 이 결과들은 구멍의 크기에 따 른 순서대로 결과가 나왔으며 크기가 클수록 다시 회복되는 속도가 느린 것으로 결과가 나왔다. 위 그림에 모델의 사진과 함께 엑셀의 표로 표시되어 있는 것이 1000 초 동안 포의 가장 뜨거운 부분과 차가운 부분의 식는 속도를 도식화하여 나타낸 부 분이다. 차가운 부분은 처음부터 많이 뜨거워지지 않아서 계속 원래의 유지 상태를 유지한 것으로 보 여지게 되고 가장 뜨거운 부분들을 비교해 보았을 때, 네 번째 모델만 특별하게 잘 식지 않는 것으로 보여진다. 이것은 네 번째 모델은 밑받침이 없기 때문으로 추측이 된다. 또한 논문의 각 모델을 보 면 그 자체가 가진 체적이 포의 구경에 따라 다르 기 때문에 박격포가 가진 열용량의 차이가 발생한 다. 따라서 구경이 큰 박격포의 경우 그만큼 체적 이 커기 때문에 냉각시간이 많이 소요되는 것입니 다. 따라서 Model 4가 가장 늦게 냉각되는 경우로 도 판단된다. 그리고 다시 네 개의 모델을 비교해 보았을 때 빨리 식는 순서대로 모델의 순서를 나열 해 보자면 Model 3, Model 2, Model 1, Model 4의 순서대로 빨리 식는데 이것의 포의 구멍 크기를 비 교해 보았을 때, 60 mm, 60 mm, 81 mm, 120 mm, 순서대로의 크기이다. 이것을 비교해 보았을 때 포 의 구멍이 더 작을수록 열을 가한 후 식을 때의 속 도 또한 빨라진다라는 것을 알 수가 있다. 또한 포 가 발사될 때 받침대의 유무에 따라 받침대가 있을 때 더 빨리 식을 수 있다는 사실 또한 알 수가 있 다.

    3.결 론

    본 연구는 네 가지 종류의 박격포의 열전달의 효 율성을 해석하였으며 다음과 같은 결론을 도출하였 다.

    1. 열 해석은 Model 1~4를 비교해 보았을 때 각각 의 모델이 조금의 차이는 있지만 비슷한 모양이 므로 각각 모두 비슷한 열의 분포를 보인다.

    2. 열에 의한 변형률에 대한 구조 해석을 각각 모 델에 따라 비교를 해 보았을 때 모델의 모양은 거의 관련이 없고, 박격포 포신의 끝 쪽인 포의 구멍의 크기에 따라서 크기가 큰 포 일수록 변 형이 많이 일어나게 되는 것을 발견하였다. 이 연구에서는 Model 4가 120 mm의 구경을 가지 고 있으므로 가장 많은 변화율을 보였다. 또한 초기 상태의 응력과 1000 초 후에 식었을 때의 상태를 비교했을 때 각각 모델마다 응력이 줄어 드는 변화가 있었고 Model 1, 2, 4보다 Model 3 이 가장 많이 줄어드는 변화가 있었다. 따라서 Model 3의 모양이 유용하게 사용될 것으로 사료 된다.

    3. 다음 각 모델별로 시간에 따라 일정시간 동안 상온에 놔두었을 때 식는 속도에 대한 비교의 결과로 열에 의한 변형률에 대한 구조해석과 동 일한 결과가 나왔다. 이 결과들은 구멍의 크기 에 따른 순서대로 결과가 나왔으며 크기가 클수 록 다시 회복되는 속도가 느린 것으로 결과가 나왔다. 따라서 이 연구에서 Model 4가 120 mm 로 가장 포의 구경이 커서 식는 속도도 가장 느 린 것으로 결과가 나오게 되었다. 또한 특별하 게 Model 1, 2, 3은 받침대가 있는데 반하여 Model 4는 포신의 밑바닥 부분에 받침대를 사용 하지 않았는데, 받침대를 사용하지 않았을 때 식는 속도가 확연하게 느린 것을 보아 받침대의 유무 또한 포의 식는 속도에 영향을 주는 것으 로 보게 되었다. 또한 논문의 각 모델을 보면 그 자체가 가진 체적이 포의 구경에 따라 다르 기 때문에 박격포가 가진 열용량의 차이가 발생 한다. 따라서 구경이 큰 박격포의 경우 그만큼 체적이 커기 때문에 냉각시간이 많이 소요되어 Model 4가 가장 늦게 냉각된다. 결론적으로 포 구멍의 크기에 따라 포 발사 시 발생되는 열에 따른 변형이 다른 것으로 사료된다. 또한 온도 의 식는 정도는 포의 구경에 따라 온도의 식는 정도가 차이가 나며 특별하게 받침대의 유무에 따라 다르게 나타나는 것을 보게 되었다. 따라 서 포를 사용할 때 그 목적에 따라 포의 구경, 밑받침의 유무를 잘 살피고 선택해야 할 것으로 판단이 된다.

    Figure

    KSMPE-14-69_F1.gif
    Configurations of models
    KSMPE-14-69_F2.gif
    Temperature of models at steady state
    KSMPE-14-69_F3.gif
    Total deformations of models after 1000sec at transient state
    KSMPE-14-69_F4.gif
    Total deformations of models at initial state
    KSMPE-14-69_F5.gif
    Equivalent stresses of models after 1000sec at transient state
    KSMPE-14-69_F6.gif
    Equivalent stresses of models at initial state
    KSMPE-14-69_F7.gif
    Temperatures of models after 1000sec
    KSMPE-14-69_F8.gif
    Maximum temperatures due to times at transient state

    Table

    Material property
    Nodes and elements at models

    Reference

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