본 논문의 목적은 컴퓨터 응용 설계 방법 중에서 판재 유동에 대한 가장 정확한 정보를 제공하는 유한요소법(Finite Element Method)을 이용하여 효율적이고 지적인 자동차용 프레스금형 공정 설계 시스템을 개발하는 것이다. 프레스 성형 공정에서 발생하는 여러 가지 문제점에 대해 수치 해석적 접근 방법을 제안하고, 이를 시스템화하여 양산용 금형의 공정 설계에 적용될 수 있도록 하였다. 제품 성형 후 발생하는 후변형은 판재 성형 공정에서 발생하는 가장 난해한 문제이며 이를 해결하기 위한 혁신적 설계방법론을 제안하고 시스템화하였다. 문제의 대상은 후변형에 의한 치수정도 예측, 차체 외판의 미세면굴곡 그리고 도금, 비도금 강판의 성형성 및 ...
본 논문의 목적은 컴퓨터 응용 설계 방법 중에서 판재 유동에 대한 가장 정확한 정보를 제공하는 유한요소법(Finite Element Method)을 이용하여 효율적이고 지적인 자동차용 프레스금형 공정 설계 시스템을 개발하는 것이다. 프레스 성형 공정에서 발생하는 여러 가지 문제점에 대해 수치 해석적 접근 방법을 제안하고, 이를 시스템화하여 양산용 금형의 공정 설계에 적용될 수 있도록 하였다. 제품 성형 후 발생하는 후변형은 판재 성형 공정에서 발생하는 가장 난해한 문제이며 이를 해결하기 위한 혁신적 설계방법론을 제안하고 시스템화하였다. 문제의 대상은 후변형에 의한 치수정도 예측, 차체 외판의 미세면굴곡 그리고 도금, 비도금 강판의 성형성 및 스프링백 차이 등이다. 이러한 네가지 성형 문제점을 해결하기 위한 수치 해석적 알고리즘을 제안하였고, 그 결과를 공정 설계에 적용하므로써, 타당성을 검증하였다. 먼저, 여러 공정을 통하여 제작되는 자동차 차체 부품을 정밀 정형으로 생산하기 위한 치수 정밀도 예측 시스템을 개발하였다. 후변형의 해석 효율성을 향상시키기 위해 6 자유도의 쉘요소를 적용하였는데, 이는 Zhu와 Zacharia 등이 제안한 요소로서Belytschko Leviathan쉘요소의 문제점을 보완하기 위해 6번째 자유도로서 drilling D.O.F를 채용한 요소이다. 따라서, 성형해석과 스프링백 해석에서 동일 요소를 사용하므로써, 스프링백 해석의 정밀도와 수렴성을 향상시켰다. 그리고 강성 매트릭스와 절점력 벡터에 대해 전체조합 행렬을 사용하지 않는 다중 프론트 기법(Multi Front Method)를 적용하여 대물 프레스 부품의 모델링 문제를 해결하였다. 불안정성이 발생하면 선형화된 유한요소 방정식의 강성행렬은 한계점(limit point)에서 특이점(singularity)이 발생하여 Newton-Raphson 방법에 의한 해를 얻을 수 없는 문제가 발생한다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 호-길이방법(Arc-length Method)을 제안하였다. 둘째, 자동차 차체 외판에 발생하는 미세면굴곡을 해석하고, 발생량을 정량화, 가시화하기 위한 시스템을 개발하였다. 주로 형상 급변부의 응력 불균일에 의한 후변형에 의해 발생하는 미세면 굴곡은 그 크기가 30~300㎛ 정도로 대단히 미소하게 발생하는데, 이를 예측하기 위한 수치 해석적 방법론과 정량적 가시화 알고리즘을 제안하였다. 제안된 쉘요소를 사용하므로써, 스프링백 해석 정밀도는 향상되었으며, 미세면굴곡 영역에 발생한 소량의 응력을 제거하기 위해 부분 스프링백 해석 방법을 적용하였다. 정량적 가시화는 곡률의 변화를 추적하여 얻은 변곡점을 연결하여, 변곡점에 의한 곡선을 작성하고 기존의 단면과의 차이를 계산하여 가시화하는 알고리즘을 제안하였다. 셋째, 동일 금형에서 생산되는 도금 및 무도금 강판의 성형성 및 스프링백 발생량의 차이를 평가하고 원인을 규명하기 위해, 도금 및 무도금 강판의 기계적 특성, 마찰 특성, 성형 특성 및 스프링백 특성 등을 비교 평가하였다. 인장시험 및 FLD 시험으로부터 도금 및 무도금 강판은 성형모드(드로우 모드, 스트레치 모드, 평면변형 모드)에 따라 성형성의 우열이 다르게 나타났으며, 이에 대한 정확한 평가를 위해 성형모드별 시험을 실시하였다. 고장력강판의 경우, 드로우모드 및 스트레치 모드에서 무도금강판이 우수하였으며, 딥드로우강판의 경우, 드로우모드는 무도금강판이, 스트레치 모드에서는 도금강판이 우수한 성형성을 나타내었고, 그 결과는 인장시험으로부터 도출한 기계적 물성치의 경향과도 잘 일치하였다. 또한 도금층은 성형과정에서 높은 마찰력과 성형력에 의해 파괴가 발생하는데, 도금층의 파괴는 성형 모드와 밀접한 연관이 있음을 확인하였다. 마찰특성을 평가하기 위해 편면마찰 실험 및 드로우비드 마찰 실험을 수행하였다. 무도금 강판에 대해 도금 강판의 경우가 마찰특성이 우수하였는데, 이는 도금층의 압괴에 따른 미소-소성-정수압 윤활(Micro-plasto-hydrodynamic lubrication)의 영향 때문이라고 판단된다. 나노인덴테이션을 이용한 표면 경도 및 탄성계수의 평가에 있어서는, 도금강판의 경우가 무도금강판 보다 다소 높은 결과를 나타내었다. 스프링백의 발생량을 평가하기 위해 U-draw bending실험을 실시하였다. 여러가지 성형조건을 적용하여 실험한 결과, 고장력강판에 있어, 도금강판의 경우가 무도금강판 보다 스프링백 발생량이 적었으며, 이는 실제 양산 부품인 rear side body panel의 측정 결과와 잘 일치하였다. 본 논문에서 제안한 유한요소법을 이용한 자동차 금형의 공정 설계 시스템은 실제 현장에서 행해지고 있는 시행착오적 방법을 개선할 수 있고, 경험 부족에 의한 문제를 해결할 수 있을 것으로 기대된다. 그리고 고품질의 금형과 납기 단축의 요구에 대응하기 위한 전문가 시스템으로서 효율적으로 이용될 수 있으며, 향후 금형 기술의 국가 경쟁력을 확보하는데 기여할 것이다.
본 논문의 목적은 컴퓨터 응용 설계 방법 중에서 판재 유동에 대한 가장 정확한 정보를 제공하는 유한요소법(Finite Element Method)을 이용하여 효율적이고 지적인 자동차용 프레스 금형 공정 설계 시스템을 개발하는 것이다. 프레스 성형 공정에서 발생하는 여러 가지 문제점에 대해 수치 해석적 접근 방법을 제안하고, 이를 시스템화하여 양산용 금형의 공정 설계에 적용될 수 있도록 하였다. 제품 성형 후 발생하는 후변형은 판재 성형 공정에서 발생하는 가장 난해한 문제이며 이를 해결하기 위한 혁신적 설계방법론을 제안하고 시스템화하였다. 문제의 대상은 후변형에 의한 치수정도 예측, 차체 외판의 미세면굴곡 그리고 도금, 비도금 강판의 성형성 및 스프링백 차이 등이다. 이러한 네가지 성형 문제점을 해결하기 위한 수치 해석적 알고리즘을 제안하였고, 그 결과를 공정 설계에 적용하므로써, 타당성을 검증하였다. 먼저, 여러 공정을 통하여 제작되는 자동차 차체 부품을 정밀 정형으로 생산하기 위한 치수 정밀도 예측 시스템을 개발하였다. 후변형의 해석 효율성을 향상시키기 위해 6 자유도의 쉘요소를 적용하였는데, 이는 Zhu와 Zacharia 등이 제안한 요소로서Belytschko Leviathan쉘요소의 문제점을 보완하기 위해 6번째 자유도로서 drilling D.O.F를 채용한 요소이다. 따라서, 성형해석과 스프링백 해석에서 동일 요소를 사용하므로써, 스프링백 해석의 정밀도와 수렴성을 향상시켰다. 그리고 강성 매트릭스와 절점력 벡터에 대해 전체조합 행렬을 사용하지 않는 다중 프론트 기법(Multi Front Method)를 적용하여 대물 프레스 부품의 모델링 문제를 해결하였다. 불안정성이 발생하면 선형화된 유한요소 방정식의 강성행렬은 한계점(limit point)에서 특이점(singularity)이 발생하여 Newton-Raphson 방법에 의한 해를 얻을 수 없는 문제가 발생한다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 호-길이방법(Arc-length Method)을 제안하였다. 둘째, 자동차 차체 외판에 발생하는 미세면굴곡을 해석하고, 발생량을 정량화, 가시화하기 위한 시스템을 개발하였다. 주로 형상 급변부의 응력 불균일에 의한 후변형에 의해 발생하는 미세면 굴곡은 그 크기가 30~300㎛ 정도로 대단히 미소하게 발생하는데, 이를 예측하기 위한 수치 해석적 방법론과 정량적 가시화 알고리즘을 제안하였다. 제안된 쉘요소를 사용하므로써, 스프링백 해석 정밀도는 향상되었으며, 미세면굴곡 영역에 발생한 소량의 응력을 제거하기 위해 부분 스프링백 해석 방법을 적용하였다. 정량적 가시화는 곡률의 변화를 추적하여 얻은 변곡점을 연결하여, 변곡점에 의한 곡선을 작성하고 기존의 단면과의 차이를 계산하여 가시화하는 알고리즘을 제안하였다. 셋째, 동일 금형에서 생산되는 도금 및 무도금 강판의 성형성 및 스프링백 발생량의 차이를 평가하고 원인을 규명하기 위해, 도금 및 무도금 강판의 기계적 특성, 마찰 특성, 성형 특성 및 스프링백 특성 등을 비교 평가하였다. 인장시험 및 FLD 시험으로부터 도금 및 무도금 강판은 성형모드(드로우 모드, 스트레치 모드, 평면변형 모드)에 따라 성형성의 우열이 다르게 나타났으며, 이에 대한 정확한 평가를 위해 성형모드별 시험을 실시하였다. 고장력강판의 경우, 드로우모드 및 스트레치 모드에서 무도금강판이 우수하였으며, 딥드로우강판의 경우, 드로우모드는 무도금강판이, 스트레치 모드에서는 도금강판이 우수한 성형성을 나타내었고, 그 결과는 인장시험으로부터 도출한 기계적 물성치의 경향과도 잘 일치하였다. 또한 도금층은 성형과정에서 높은 마찰력과 성형력에 의해 파괴가 발생하는데, 도금층의 파괴는 성형 모드와 밀접한 연관이 있음을 확인하였다. 마찰특성을 평가하기 위해 편면마찰 실험 및 드로우비드 마찰 실험을 수행하였다. 무도금 강판에 대해 도금 강판의 경우가 마찰특성이 우수하였는데, 이는 도금층의 압괴에 따른 미소-소성-정수압 윤활(Micro-plasto-hydrodynamic lubrication)의 영향 때문이라고 판단된다. 나노인덴테이션을 이용한 표면 경도 및 탄성계수의 평가에 있어서는, 도금강판의 경우가 무도금강판 보다 다소 높은 결과를 나타내었다. 스프링백의 발생량을 평가하기 위해 U-draw bending실험을 실시하였다. 여러가지 성형조건을 적용하여 실험한 결과, 고장력강판에 있어, 도금강판의 경우가 무도금강판 보다 스프링백 발생량이 적었으며, 이는 실제 양산 부품인 rear side body panel의 측정 결과와 잘 일치하였다. 본 논문에서 제안한 유한요소법을 이용한 자동차 금형의 공정 설계 시스템은 실제 현장에서 행해지고 있는 시행착오적 방법을 개선할 수 있고, 경험 부족에 의한 문제를 해결할 수 있을 것으로 기대된다. 그리고 고품질의 금형과 납기 단축의 요구에 대응하기 위한 전문가 시스템으로서 효율적으로 이용될 수 있으며, 향후 금형 기술의 국가 경쟁력을 확보하는데 기여할 것이다.
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