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문제 정의
- 따라서, 본 연구에서는 알루미늄 평판에서 홀 확장 과정에 대한 유한요소해석을 수행하고, 홀 확장률과 2단 홀 확장이 잔류응력 분포에 미치는 영향을 고찰하였다. 또한, 스트레인 게이지를 이용하여 홀 확장시의 잔류 변형률을 측정하고 해석 결과와 비교함으로써 해석의 타당성을 검증하였다.
- 본 연구에서는 홀 확장 파라미터 중에서 흘 확장률과 2단 홀 확장법의 영향을 고찰하였다. Fig.
제안 방법
- 유한요소 망은 1/2만을 구성하였으며, 실제 모델과 동일하게 맨드럴이 홀을 이동하면서 관통하도록 하였다. Fig. 3은 본 연구에서 홀 확장법을 해석하기 위한 유한요소망을 나타낸 것이며, Fig. 4는맨드럴의 직경 변화를 2단으로 하여 2단 홀 확장법 (2-step cold expansion)을 해석하기 위한 유한요소망(finite element mesh)으로서 전체 요소 수는 고체 요소(solid element) 4, 608개, 절점 수는 5, 956개를 적용하였다. 이때, 맨드럴은 평판 재질에 비하여 강도가 매우 크기 때문에 강체 요소 (rigid element)를 적용하였으며, 맨드럴의 회전 중심축에 기준 절점(reference node)을 설정하고 이 기준 절점에 따라 강체 요소가 이동하도록 하였다.
- 고찰하였다. 또한, 스트레인 게이지를 이용하여 홀 확장시의 잔류 변형률을 측정하고 해석 결과와 비교함으로써 해석의 타당성을 검증하였다.
- 본 연구에서는 두께가 6mm인 사각 평판의 중앙 흘(86mm)에 맨드럴을 관통시키는 방법으로 홀 확장법을 적용하는 모델을 설정하였다. 유한요소 망은 1/2만을 구성하였으며, 실제 모델과 동일하게 맨드럴이 홀을 이동하면서 관통하도록 하였다.
- 본 연구에서는 홀 확장 과정에 대한 유한요소해석을 수행하고, 홀 확장률과 2단 홀 확장법이 잔류응력 분포에 미치는 영향을 파악한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 유한요소 망은 1/2만을 구성하였으며, 실제 모델과 동일하게 맨드럴이 홀을 이동하면서 관통하도록 하였다. Fig.
- 유한요소해석의 타당성을 검증하기 위하여 스트레인 게이지를 이용한 홀 확장 잔류변형률 측정 실험을 수행하였다. Fig.
- 또한, 맨드럴과 홀 면 사이에는 서로의 물체에 파고들지 못하도록 접촉(contact) 처리하였으며, 마찰에 의한 영향은 고려하지 않았다. 이 상태에서 평판의 대칭면을 제외한 바깥면 상의 절점들을 z방향(Figs. 3~4의 3번 방향)으로 이동하지 못하도록 구속하고 맨드럴의 기준 절점을 z방향으로 수직 이동시켜 맨드럴이 홀을 관통하도록 하였다.
- 4는맨드럴의 직경 변화를 2단으로 하여 2단 홀 확장법 (2-step cold expansion)을 해석하기 위한 유한요소망(finite element mesh)으로서 전체 요소 수는 고체 요소(solid element) 4, 608개, 절점 수는 5, 956개를 적용하였다. 이때, 맨드럴은 평판 재질에 비하여 강도가 매우 크기 때문에 강체 요소 (rigid element)를 적용하였으며, 맨드럴의 회전 중심축에 기준 절점(reference node)을 설정하고 이 기준 절점에 따라 강체 요소가 이동하도록 하였다. 또한, 맨드럴과 홀 면 사이에는 서로의 물체에 파고들지 못하도록 접촉(contact) 처리하였으며, 마찰에 의한 영향은 고려하지 않았다.
- 스트레인 게이지는 X, y 방향의 변형률을 동시에 측정할 수 있는 TML사의웅력구배 측정용 FCV-1-11-005LE 모델을 사용하였으며, 흘 확장시 소성변형의 영향을 줄이기 위하여 홀 경계에서 약간 떨어진 위치에 스트레인 게이지를 부착하였다. 정적 스트레인 측정기 (UCAM-70A, KYOWA)를 연결하고 유압 시험기를 이용하여 시편에 맨드럴을 통과시킨 후 잔류변형률을 측정하였다. Fig.
- 8을 사용하였다. 한편, 맨드럴이 흘을 완전히 통과하는데는 총 변위를 92번의 증분으로 나누어서 해석이 수행되었다.
- 홀 확장 실험에서 맨드럴 통과 후 맨드럴이들어가는 면에서의 접선방향과 반경방향 변형률을 측정하고, 동일 조건의 유한요소해석 결과와 비교하였다. Fig.
- 흘 표면에서의 균열은 홀 면에 접선방향 응력에 의하여 발생하므로 홀 확장 후 접선방향 잔류응력에 대하여 고찰하였다. Fig.
대상 데이터
- 실험을 수행하였다. Fig. 5는 실험에 사용된 시편을 보인 것으로서, A16061-T6 재질의 시편 (60X60X6mm) 중앙 홀 주위에 스트레인 게이지를 부착한 것이다. 스트레인 게이지는 X, y 방향의 변형률을 동시에 측정할 수 있는 TML사의웅력구배 측정용 FCV-1-11-005LE 모델을 사용하였으며, 흘 확장시 소성변형의 영향을 줄이기 위하여 홀 경계에서 약간 떨어진 위치에 스트레인 게이지를 부착하였다.
- 홀 확장법은 맨드럴이 홀을 통과할 때 홀 주위에서 발생하는 항복으로 인하여 잔류응력이 생성되므로 유한요소해석시 탄소성 해석을 수행해야 한다. 따라서, 해석하고자 하는 재질의 진 응력-변형률(true stress-strain) 특성을 구하여 유한요소해석의 입력 데이터로 사용하였다. 인장시험 결과를 Table 1과 Fig.
- 해석 모델의 평판 재질은 항공기 부품에서 널리 사용되고 있는 A16061-T6를 선정하였다. 홀 확장법은 맨드럴이 홀을 통과할 때 홀 주위에서 발생하는 항복으로 인하여 잔류응력이 생성되므로 유한요소해석시 탄소성 해석을 수행해야 한다.
이론/모형
- 본 연구에서는 모델링 에 PATRAN Ver. 7.0을, 유한요소해석에 ABAQUS Ver. 5.8을 사용하였다. 한편, 맨드럴이 흘을 완전히 통과하는데는 총 변위를 92번의 증분으로 나누어서 해석이 수행되었다.
- 5는 실험에 사용된 시편을 보인 것으로서, A16061-T6 재질의 시편 (60X60X6mm) 중앙 홀 주위에 스트레인 게이지를 부착한 것이다. 스트레인 게이지는 X, y 방향의 변형률을 동시에 측정할 수 있는 TML사의웅력구배 측정용 FCV-1-11-005LE 모델을 사용하였으며, 흘 확장시 소성변형의 영향을 줄이기 위하여 홀 경계에서 약간 떨어진 위치에 스트레인 게이지를 부착하였다. 정적 스트레인 측정기 (UCAM-70A, KYOWA)를 연결하고 유압 시험기를 이용하여 시편에 맨드럴을 통과시킨 후 잔류변형률을 측정하였다.
성능/효과
- (2) 홀 확장률이 커질수록 최대 압축 잔류응력의 크기가 증가하지만, 내부에서의 인장 잔류응력 또한 커진다.
- (3) 2단 홀 확장법을 적용할 경우 1단 흘 확장법에 비하여 최대 압축 잔류응력의 크기가 약 7% 향상되는 유리한 잔류응력 분포를 얻을 수 있다.
후속연구
- (4) 본 연구방법 및 결과를 바탕으로 리벳 머리 또는 볼트, 너트에 의한 체결 압력을 고려하여보다 실제적인 잔류응력 분포의 해석이 필요하다.
- 한편, 실제 구조물에서는 맨드럴의 입구와 출구 부에 리벳 머리 또는 볼트, 너트에 의한 체결압력이 작용하여 잔류응력 분포의 차이가 발생할 것이므로, 이러한 체결력을 고려하여 보다 실제적인 잔류응력 분포의 해석이 필요하다 하겠다.
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