An integrated methodology to predict material flow and ductile fracture by the finite element method and its applications to metal forming processes : 유한요소법에 의한 재료유동과 연성파괴 예측을 위한 통합된 해석방법 및 금속성형공정에의 적용원문보기
본 연구의 목적은 금속성형공정에서 재료의 변형해석과 연성파괴(ductile fracture)의 예측을 동시에 수행하기 위해 통합된 해석방법을 제시하는 데 있다. 부피성형공정(bulk metal forming process)과 판재성형공정(sheet metal forming process)에서 연성파괴 시작의 예측, 공정 설계와 예비성형체 설계 등에 제시된 해석방법을 적용하여, 그 유용성 및 타당성을 입증하였다. 또한 요구되는 설계목적에 부합하는 최적의 공성 설계 및 예비성형체 설계, 공정 중에 발생하는 파괴의 전파현상 등의 ...
본 연구의 목적은 금속성형공정에서 재료의 변형해석과 연성파괴(ductile fracture)의 예측을 동시에 수행하기 위해 통합된 해석방법을 제시하는 데 있다. 부피성형공정(bulk metal forming process)과 판재성형공정(sheet metal forming process)에서 연성파괴 시작의 예측, 공정 설계와 예비성형체 설계 등에 제시된 해석방법을 적용하여, 그 유용성 및 타당성을 입증하였다. 또한 요구되는 설계목적에 부합하는 최적의 공성 설계 및 예비성형체 설계, 공정 중에 발생하는 파괴의 전파현상 등의 수치해석도 제시된 해석 방법에 의해 가능하다는 것을 알 수 있었다. 먼저, 본 연구에서 제시된 통합된 해석방법을 이용하여 알루미늄의 압출공정과 단순업셋팅에서 발생하는 표면크랙(surface fracture)의 발생을 예측해 보았다. 제시된 해석방법의 타당성을 검토하기 위하여 고려된 두 공정에 대한 직접적인 실험결과와 비교하였다. 제시된 해석방법은 실험으로 관찰되는 파괴의 발생위치와 파괴시의 변형수준 등에서 상당히 일치된 결과를 나타내었다. 압출 및 인발공정에서 발생하는 내부결함(central burst defects)은 가시적인 확인이 불가능하므로, 이로 인한 재료의 파괴는 생산라인의 중단을 초래하여 자동화를 추구하는 금속성형산업에서 큰 문제가 되는 동시에 제품단가의 상승을 초래한다. 따라서 내부결함의 발생을 예측하기 위하여 제시된 해석방법에 기초한 새로운 접근법이 시도되었다. 이로부터 실제 산업 현장에서 적용 가능한 내부결함 발생에 대한 안전영역과 위험영역의 수치적 경계를 제시하였다. 제시된 수치적 경계에 대한 실험으로 본 연구에서 시도된 접근법에 대한 타당성이 검토되었다. 해석결과로부터 새로운 재료에 대한 압출 및 인발공정의 패스(pass)설계가 수행될 경우 내부결함의 발생을 방지하기 위해서는 단지 적용된 연성파괴기준의 재료상수값을 구하는 절차만 요구되므로, 실험이나 시행착오로 인한 시간과 비용을 절감할 수 있다. 따라서 본 연구에서 내부결함 발생의 예측을 위해 시도된 새로운 접근방법은 실제 산업현장에 매우 유용하게 적용될 수 있을 것이다. 통합된 해석방법의 광범위한 적용성을 입증하기 위하여 부피성형 및 판재성형공정에서 가공성을 고려한 공정 설계를 수행하였다. 공정 설계와 예비성형체 설계의 기준은 최종제품에 어떠한 파단도 일어나지 않는 공정을 설계하는 것이다. 먼저, 초드로잉(first drawing)과 재드로잉(redrawing)의 두 단계로 이루어지는 디프드로잉 공정을 해석하였다. 디프드로잉 공정의 성형한계는 연성파괴의 발생을 예측함으로써 결정될 수 있었다. 해석을 통해 선택된 설계기준과 균일한 두께분포를 가지는 최적의 드로잉비는 상한값과 하한값을 가진다는 사실을 입증하였으며, 한계 드로잉비의 상한값은 초드로잉 공정과 하한값은 재드로잉 공정과 관계가 있음을 알 수 있었다. 유한요소법에 의한 성형공정의 최적설계는 상당한 횟수의 시뮬레이션과 어느 정도의 시행착오적인 절차를 필요로 한다. 따라서 본 연구에서는 신경망(artificial neural network)과 다구찌 방법(Taguchi method)을 이용한 최적설계 방법을 제시하고, 이를 냉간 헤딩공정(heading process)의 예비성형체 설계에 적용하여 제시된 최적설계방법이 체계적이고 합리적임을 입증하였다. 또한 이러한 최적설계방법은 다단게 금속성형공정에서 여러 가지 설계목적을 만족하는 예비성형체 설계에 매우 유용하게 적용될 수 있음을 알 수 있었다. 본 논문에서는 블랭킹, 피어싱, 트리밍 등과 같은 전단가공공정의 해석을 위하여 통합된 해석방법을 보다 개선, 발전시킨 유한요소 프로그램을 개발하였다. 전단공정에서 나타나는 전단면(sheared surface)의 형성과정을 수치적으로 접근하기 위하여 요소제거기법(element kill method)을 도입하였다. 개발된 프로그램을 이용하여 전단가공공정의 초기단게에서 최종단계까지의 연속적인 시뮬레이션이 가능하였으며, 연성파괴기준을 초과하는 요소들을 추적함으로써 전단면의 형성과정을 조사할 수 있었다. 전단가공공정에서 가장 중요한 공정변수인 펀치-다이 클리어런스의 변화에 따른 전단면의 특징을 예측하고, 이를 기존의 실험결과와 비교해 보았다. 또한 전단가공공정에서 공구의 마멸(wear)은 공구형상과 클리어런스의 변화를 초래하므로, 이에 대한 예측이 필수적으로 요구된다. 따라서 이론적 마멸모델을 정식화하여 개발된 프로그램에 추가함으로써, 공정 중에 발생하는 마멸체적과 마멸된 공구의 형상을 예측할 수 있었다. 통합된 해석방법에 절삭가공에 나타나는 칩 형성에 관한 판단기준을 추가하여 절삭가공 중에 발생하는 버(burr) 형성 메카니즘의 모델링에 적용해 보았다. 전단가공의 해석에서와 같이 버 형성 중에 나타나는 파단의 예측은 연성파괴기준을 이용하였으며, 파단의 전파현상은 요소제거기법을 도입하였다. 2차원 절삭가공에 대한 유한요소 시뮬레이션을 수행하여 파단위치, 파단각, 절삭력 및 피삭재 내부의 유효변형률 분포를 에측해 보았다. 본 연구에서 제시된 해석방법의 타당성을 검토하기 위하여 주사현미경 내에서 Al6061-T6의 2차원 절삭시 버 형성과 파단면의 발생을 관찰하였다. 실혐결과와 시뮬레이션결과의 정량적인 비교를 통하여 두 결과가 아주 잘 일치함을 알 수 있었다. 따라서 이러한 해석방법은 보다 신뢰성있는 디버링(deburring)을 위해 버 형성 메카니즘을 연구하는데 유용하게 적용될 수 있을 것이다. 본 연구를 통하여 재료유동과 연성파괴 예측을 위한 통합된 해석방법이 확립되었으며, 여러 가지 금속성형공정에 적용함으로써 제시된 방법의 체계성, 경제성, 합리성이 입증되었다. 최근 금속성형공정은 정형가공, 결함없는 제조공정 설계, 금형제작 비용의 감소 등에 관심이 집중되고 있으므로 본 연구에서 제시된 해석방법은 설계기술의 체계화에 이바지할 뿐만아니라 성형공정의 다양한 분야에 널리 적용될 것으로 기대된다.
본 연구의 목적은 금속성형공정에서 재료의 변형해석과 연성파괴(ductile fracture)의 예측을 동시에 수행하기 위해 통합된 해석방법을 제시하는 데 있다. 부피성형공정(bulk metal forming process)과 판재성형공정(sheet metal forming process)에서 연성파괴 시작의 예측, 공정 설계와 예비성형체 설계 등에 제시된 해석방법을 적용하여, 그 유용성 및 타당성을 입증하였다. 또한 요구되는 설계목적에 부합하는 최적의 공성 설계 및 예비성형체 설계, 공정 중에 발생하는 파괴의 전파현상 등의 수치해석도 제시된 해석 방법에 의해 가능하다는 것을 알 수 있었다. 먼저, 본 연구에서 제시된 통합된 해석방법을 이용하여 알루미늄의 압출공정과 단순업셋팅에서 발생하는 표면크랙(surface fracture)의 발생을 예측해 보았다. 제시된 해석방법의 타당성을 검토하기 위하여 고려된 두 공정에 대한 직접적인 실험결과와 비교하였다. 제시된 해석방법은 실험으로 관찰되는 파괴의 발생위치와 파괴시의 변형수준 등에서 상당히 일치된 결과를 나타내었다. 압출 및 인발공정에서 발생하는 내부결함(central burst defects)은 가시적인 확인이 불가능하므로, 이로 인한 재료의 파괴는 생산라인의 중단을 초래하여 자동화를 추구하는 금속성형산업에서 큰 문제가 되는 동시에 제품단가의 상승을 초래한다. 따라서 내부결함의 발생을 예측하기 위하여 제시된 해석방법에 기초한 새로운 접근법이 시도되었다. 이로부터 실제 산업 현장에서 적용 가능한 내부결함 발생에 대한 안전영역과 위험영역의 수치적 경계를 제시하였다. 제시된 수치적 경계에 대한 실험으로 본 연구에서 시도된 접근법에 대한 타당성이 검토되었다. 해석결과로부터 새로운 재료에 대한 압출 및 인발공정의 패스(pass)설계가 수행될 경우 내부결함의 발생을 방지하기 위해서는 단지 적용된 연성파괴기준의 재료상수값을 구하는 절차만 요구되므로, 실험이나 시행착오로 인한 시간과 비용을 절감할 수 있다. 따라서 본 연구에서 내부결함 발생의 예측을 위해 시도된 새로운 접근방법은 실제 산업현장에 매우 유용하게 적용될 수 있을 것이다. 통합된 해석방법의 광범위한 적용성을 입증하기 위하여 부피성형 및 판재성형공정에서 가공성을 고려한 공정 설계를 수행하였다. 공정 설계와 예비성형체 설계의 기준은 최종제품에 어떠한 파단도 일어나지 않는 공정을 설계하는 것이다. 먼저, 초드로잉(first drawing)과 재드로잉(redrawing)의 두 단계로 이루어지는 디프드로잉 공정을 해석하였다. 디프드로잉 공정의 성형한계는 연성파괴의 발생을 예측함으로써 결정될 수 있었다. 해석을 통해 선택된 설계기준과 균일한 두께분포를 가지는 최적의 드로잉비는 상한값과 하한값을 가진다는 사실을 입증하였으며, 한계 드로잉비의 상한값은 초드로잉 공정과 하한값은 재드로잉 공정과 관계가 있음을 알 수 있었다. 유한요소법에 의한 성형공정의 최적설계는 상당한 횟수의 시뮬레이션과 어느 정도의 시행착오적인 절차를 필요로 한다. 따라서 본 연구에서는 신경망(artificial neural network)과 다구찌 방법(Taguchi method)을 이용한 최적설계 방법을 제시하고, 이를 냉간 헤딩공정(heading process)의 예비성형체 설계에 적용하여 제시된 최적설계방법이 체계적이고 합리적임을 입증하였다. 또한 이러한 최적설계방법은 다단게 금속성형공정에서 여러 가지 설계목적을 만족하는 예비성형체 설계에 매우 유용하게 적용될 수 있음을 알 수 있었다. 본 논문에서는 블랭킹, 피어싱, 트리밍 등과 같은 전단가공공정의 해석을 위하여 통합된 해석방법을 보다 개선, 발전시킨 유한요소 프로그램을 개발하였다. 전단공정에서 나타나는 전단면(sheared surface)의 형성과정을 수치적으로 접근하기 위하여 요소제거기법(element kill method)을 도입하였다. 개발된 프로그램을 이용하여 전단가공공정의 초기단게에서 최종단계까지의 연속적인 시뮬레이션이 가능하였으며, 연성파괴기준을 초과하는 요소들을 추적함으로써 전단면의 형성과정을 조사할 수 있었다. 전단가공공정에서 가장 중요한 공정변수인 펀치-다이 클리어런스의 변화에 따른 전단면의 특징을 예측하고, 이를 기존의 실험결과와 비교해 보았다. 또한 전단가공공정에서 공구의 마멸(wear)은 공구형상과 클리어런스의 변화를 초래하므로, 이에 대한 예측이 필수적으로 요구된다. 따라서 이론적 마멸모델을 정식화하여 개발된 프로그램에 추가함으로써, 공정 중에 발생하는 마멸체적과 마멸된 공구의 형상을 예측할 수 있었다. 통합된 해석방법에 절삭가공에 나타나는 칩 형성에 관한 판단기준을 추가하여 절삭가공 중에 발생하는 버(burr) 형성 메카니즘의 모델링에 적용해 보았다. 전단가공의 해석에서와 같이 버 형성 중에 나타나는 파단의 예측은 연성파괴기준을 이용하였으며, 파단의 전파현상은 요소제거기법을 도입하였다. 2차원 절삭가공에 대한 유한요소 시뮬레이션을 수행하여 파단위치, 파단각, 절삭력 및 피삭재 내부의 유효변형률 분포를 에측해 보았다. 본 연구에서 제시된 해석방법의 타당성을 검토하기 위하여 주사현미경 내에서 Al6061-T6의 2차원 절삭시 버 형성과 파단면의 발생을 관찰하였다. 실혐결과와 시뮬레이션결과의 정량적인 비교를 통하여 두 결과가 아주 잘 일치함을 알 수 있었다. 따라서 이러한 해석방법은 보다 신뢰성있는 디버링(deburring)을 위해 버 형성 메카니즘을 연구하는데 유용하게 적용될 수 있을 것이다. 본 연구를 통하여 재료유동과 연성파괴 예측을 위한 통합된 해석방법이 확립되었으며, 여러 가지 금속성형공정에 적용함으로써 제시된 방법의 체계성, 경제성, 합리성이 입증되었다. 최근 금속성형공정은 정형가공, 결함없는 제조공정 설계, 금형제작 비용의 감소 등에 관심이 집중되고 있으므로 본 연구에서 제시된 해석방법은 설계기술의 체계화에 이바지할 뿐만아니라 성형공정의 다양한 분야에 널리 적용될 것으로 기대된다.
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