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pp.1054-1061
본 연구는 선박용 내연 기관에 적용되는 연료 분사 노즐을 대상으로, 수소 연료 운전 조건에서의 구조적 거동을 규명하기 위해 정적 열-구조 연성(static thermo-structural coupled) 유한요소 해석(FEA)을 수행하였다. 해석은 상용 프로그램 ANSYS Mechanical 2025 R1을 사 용하였으며, 주요 경계 조건으로 연료 공급 온도 -60°C~120°C, 연료 공급 압력 60 bar 및 연료 분사 압력 60 bar를 적용하였다. 또한 노즐 니들의 개폐(open/close) 상태를 각각 모델링하여 니들의 개폐에 따른 구조적 응답 변화를 비교하였다. 해석 결과, 노즐의 최대 등가 응력 (maximum equivalent stress)은 니들 폐쇄 상태에서 니들 개방 상태에 비해 약 1.6배 높게 나타났으며, 최대 등가 응력은 모든 조건에서 유로 벽면에 집중되었다. 이러한 결과는 수소 연료 적용 시 노즐의 잠재적 취약 부를 사전에 예측할 수 있음을 시사하며, 내수소성 확보를 위 한 재료 선정 및 구조 보강 설계의 기초 자료로 활용될 수 있다. 제안된 해석 접근법은 향후 수소 내연기관용 노즐의 내구성 향상, 형상 최적화 및 신뢰성 평가를 위한 기반 연구로서 의의가 있다.
In this study, a static thermo-structural coupled finite element analysis was conducted to examine the structural behavior of fuel injection nozzles used in marine internal combustion engines under hydrogen-fueled conditions. The analysis employed ANSYS Mechanical 2025 R1, considering fuel supply temperatures ranging from –60 to 120 °C and supply and injection pressures of 60 bar. A nozzle needle was modeled in both open and closed states to compare structural responses under each condition. Comparison results revealed that the maximum equivalent stress in the needle-closed condition was ≈1.6 times higher than that in the needle-open condition, with stress consistently concentrated along the flow passage walls. These findings provide insight into the potential weak regions of hydrogen-fueled nozzles and offer fundamental data for material selection and structural reinforcement. The proposed approach supports future studies on durability enhancement, shape optimization, and reliability assessment for hydrogen engine nozzles.
Abstract
1. 서 론
2. 대상구조
2.1 모델 제원
2.2 유한 요소 모델 및 메쉬
3. 연료 분사 노즐의 열-구조 연성 해석
3.1 해석 상태
3.2 열 해석 경계 조건
3.3 구조 해석 경계 조건
4. 연료 분사 노즐의 열-구조 연성 해석 결과
4.1 열 해석 결과
4.2 구조 해석 결과
4.3 안전 계수
5. 결 론
사 사
References
