Stability of Dynamic Behavior of Fuel Supply Pipe for Hydrogen Fueled Vehicle

수소차량용 연료공급 파이프의 동적 안정성 해석

Abstract

The fuel supply pipe connected to the hydrogen fueled vehicle hydrogen tank is very complicated. Therefore, the fixed portion of the pipe should be determined according to the external vibration. In particular, in order to avoid the resonance frequency range of the hydrogen fueled vehicle, it is necessary to examine the vibration characteristics of the fuel supply pipe and the stress concentration generation part for each frequency. Therefore, the purpose of this study is to understand the resonance potential for the natural frequency of the fuel supply pipe for hydrogen fueled vehicles and the excitation force(vibration of the motor etc.) applied to the external excitation frequency range(1-40Hz). Vibration characteristics were analyzed using the finite element method(FEM) to secure basic data for future seismic vibration tests of fuel supply pipes and to evaluate the safety of fuel supply pipe system.

1. 서론

수소차는 수소와 공기중의 산소를 직접 반응시켜 전기를 생산하는 연료전지를 이용하는 자동차로서 물 이외의 배출가스를 발생시키지 않기 때문에 환경친화적 자동차이다. 수소차량의 작동원리는 수소가 연료전지에 공급되면 전자와 수소이온으로 분리되고 이때 발생한 전자들은 외부 회로로 전달되어 연료전지 자동차의 모터를 구성하는 동력원인 전기에너지를 사용된다. 이때 수소 차량의 수소탱크와 연료전지를 연결하는 연료공급용 파이프의 경우 매우 복잡하게 연결되어 있으며, 진동특성에 따라 고정 부위를 결정하여야 한다. 특히 수소차량의 공진영역의 주파수 범위를 회피하기 위하여 연료공급 파이프의 진동특성 및 각 주파수에 대한 응력 집중 발생 부분을 검토할 필요성이 있다.

내연기관 차량의 연료공급 장치의 진동특성을 분석하여 이를 실제 차량에 적용했을 때 발생되는 소음 및 진동현상을 분석하여 진동저감 방안을 도출하는 연구가 진행되었다[1,2]. 최근 차량 엔진용 연료공급 파이프의 진동시험을 위한 지그가 연료 파이프의 진동특성에 미치는 영향에 대한 연구[3]와 유한요소법을 이용한 모달해석(modal analysis)과 시험을 통하여 내연기관 차량 연료공급 파이프의 고유진동수를 구하고 그 결과값을 비교하여 해석의 신뢰성을 확보하고자 하는 연구가 지속적으로 진행되어 지고 있다[4].

하지만 위의 연구들은 모두 내연기관 엔진에 대한 연료공급 파이프 시스템의 진동특성에 대한 연구로 수소차량용 연료공급 파이프의 진동특성에 대한 연구결과는 찾아보기 힘들다. 따라서, 이 연구는 수소 차량용 연료공급 파이프(fuel supply pipe) 시스템의 고유진동수와 외부 가진 주파수 범위(1-40Hz)에 가해지는 가진력에 대한 공진 가능성을 파악하기 위한 목적으로 진행되었다. 향후 수소차량용 연료공급 파이프의 내진동시험을 위한 기초 데이터 확보 및 연료공급 파이프의 안전성 평가를 위하여 하모닉 해석을 수행하여 응력분포 및 진동특성을 바탕으로 연료공급 파이프 시스템의 안정성을 판단하였다.

2. 해석모델 및 방법

Figs. 1, 2는 연료공급 파이프 시스템의 구속조건 및 유한요소 모델을 나타내었다. Fig. 1에서 삼각형 표시는 차량 시스템에서 수소공급을 위하여 결합되는 부분이며, 역삼각형 표시는 진동저감을 위하여 파이프를 고정한 위치를 표현하였다. 해석에 있어 파이프 고정을 하지 않은 경우를 Fig. 2 case I, 그리고 고정한 경우를 Fig. 2 case II로 하여 해석을 수행하였다. 유한요소 해석을 위한 노드 및 요소수는 Table 1에 나타내었다. 이 연구에서는 Fig. 2 case I, II에 대한 고유진동수 해석 및 공진해석(하모닉 해석)을 통하여 최대 응력을 도출한고, 도출한 응력과 허용강도를 비교하여 파이프의 안정성 판단을 수행하고자 한다.

Fig. 1 Boundary conditions of fuel pipe system

Fig. 2 FE modeling of fuel pipe system

Table 1. Mesh information for pipe system

하모닉해석에 적용한 공진시험 조건은 가진 방향에 따라 조금씩 상이하며, 상세 내용은 Table 2에 제시하였다. 자동차 등의 불규칙한 진동은 랜덤 진동으로 해석하는 것이 일반적이지만 Table 2에 주어진 진동조건의 명확성을 위하여 하모닉 해석으로 수행하였다.

Table 2. Resonance test method and conditions

3. 해석결과 및 고찰

3.1 고유진동수 해석

Fig. 3은 case I, II의 고유진동수 해석 결과를 도시한 것으로 case I의 경우 진동시험 조건(Table 2)의 관심 주파수 영역인 40 Hz이하에서 2개의 고유진동수 즉, 1차, 2차 고유진동수는 19.64Hz, 24.17Hz를 각각 나타내었다. Fig. 3(b)의 case II의 경우에는 관심 주파수인 40Hz이하의 주파수 범위에서는 고유진동수가 존재하지 않음을 알 수 있다.

Fig. 3 Natural frequency of fuel pipe system

Fig. 4는 case I의 최저차 2개의 고유진동수에 대한 고유진동 모드형상을 도시하였다. 1차 고유진동수는 상하방향(z축 방향진동), 2차 고유진동수는 좌우방향(y축 방향진동)의 진동형상을 나타낸다는 것을 알 수 있다.

Fig. 4 Mode shape of fuel pipe system(case I)

Fig. 5는 4곳의 지지 포인트를 갖는 연료공급 파이프(case II)의 고유진동 모드를 나타내었다. 1차 고유진동수는 약 61.53Hz, 2차 고유진동수는 약 63.71Hz를 각각 나타내고 있다. 1차 고유진동수는 우경사 상하방향, 2차 고유진동수는 좌경사 상하방향의 진동경향을 보인다. 이후 하모닉 해석에 있어 40 Hz 이하 범위에 대하여 고유진동수가 존재하지 않기 때문에 40Hz에서 결과도출 및 1차 고유진동수에서의 최대 응력을 도출하여 안정성을 판단하고자 한다.

Fig. 5 Mode shape of fuel pipe system(case II)

3.2 하모닉해석

하모닉 해석은 Table 2에 제시된 각 방향의 하중조건을 적용하여 해석하였으며, 감쇠계수는 반전력점(half power point) 방법으로 구하여 적용하였다.

Fig. 6은 z축(상하공진) 하중 0.7g에 대한 하모닉 해석 결과를 도시한 것으로, 공진 주파수 20Hz에서 최대 응력은 약 1 29.6MPa을 나타내었다.

Fig. 6 Harmonic analysis results(case I, z-axis)

Fig. 7은 y축(좌우 공진) 하중 0.7g을 적용하여 파이프 시스템의 하모닉 해석 결과로 공진 주파수 24.1Hz에서 최대 응력 약 168.8MPa을 나타냄을 알 수 있다.

Fig. 7 Harmonic analysis results(case I, y-axis)

Table 3은 case I의 연료 파이프에 대한 안정성 판단 결과를 도시한 것으로 파이프 재질의 허용강도(287.6 MPa)와 비교하여 최대 안전계수는 0.59로 시스템은 안정하다고 판단된다.

Table 3. Stability of pipe system(case I)

Case II의 고유진동수의 경우 관심주파수인 40 Hz 이하의 범위에서는 고유진동수가 존재하지 않기 때문에 Fig. 8과 같이 40Hz에서의 파이프의 해석결과를 도시하였다. 주파수 40Hz에서 파이프 시스템의 최대 응력은 약 23.6MPa을 나타내고 있다.

Fig. 8 Harmonic analysis results(case II, 40Hz)

Fig. 9는 지지점이 존재하는 경우(case II) 0.7g의 상하가진의 조건에 대한 하모닉해석 결과를 도시한 것이다. 해석결과 공진 주파수인 62.1Hz에서 최대 응력 약 75.8MPa을 나타낸다.

Fig. 9 Harmonic analysis results(case II, 62Hz)

Table 4는 case II의 연료공급 파이프에 대한 최대 응력을 나타내었으며, 최대 안전계수는 0.34로 파이프 시스템은 모든 주파수 영역에서 매우 안정하다고 판단할 수 있다.

Table 4. Stability of pipe system(case II)

4. 결론

이 연구는 수소차량의 연료공급 파이프 시스템의 공진을 회피하기 위하여 연료공급 파이프의 진동특성 및 하모닉 해석을 통하여 각 주파수에서의 최대 응력을 도출하였다. 적절한 지지 위치를 선정하여 공진 주파수 범위를 회피하였으며, 공진해석 조건은 1~40Hz 주파수 영역에서 x, y, 그리고 z방향 가진(최대 0.7g)을 적용하여 연료공급 파이프 시스템의 안정성 여부를 판단하였다.

지지점이 없는 경우 파이프의 최대 응력은 24.1Hz에서 약 168.8MPa을 나타내었으며, 지지점을 갖는 경우 최대 응력은 63.2Hz에서 약 96.7MPa을 보였다. 적절한 파이프 시스템의 지지 위치를 적용하여 공진주파수 범위를 회피하였으며, 파이프 시스템의 최대 응력은 약 62% 정도 감소하였다.