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문제 정의
- 따라서 보다 간결하면서 실제 공정상의 특성들이 반영된 유한요소모델의 사용이 요구되고 있다. 따라서, 본 연구에서는 SPR 접합공정의 특성을 반영하고, 1차원 체결요소를 사용함으로써 야기되는 문제점들을 보완하기 위하여 피로 해석 전용 솔루션인 FEMFAT(14)에서 제안하는 모델링 가이드 라인에 따라 유한 요소 모델을 생성한 후, FEMFAT SPR 전처리 과정을 수행하여 최종적으로 해석에 이용되는 SPR접합 시험편의 유한요소모델을 생성하였다. FEMFAT으로 해석모델을 생성하게되면 Fig.
제안 방법
- 구조강성해석은 상용 유한요소 프로그램인 ABAQUS를 이용하여 Die side 끝단을 고정하고 Punch side 끝단을 2mm 인장시키면서 고정단에서 의 반력을 측정하여 시편의 강성을 평가하였다. 실험이 수행된 모든 시험편에 대해 해석을 수행하였다.
- 또한, 해석결과를 시험 결과와 비교 검토함으로써 사용된 수치모델의 타당성을 검증하였다. 그리고 검증된 수치모델을 적용한 가상의 SPR 구조물에 대해 피로수명을 예측하였다.
- 또한, SPR 접합부의 피로특성을 규명하기 위해 파면관찰을 수행하였다.
- 그렇지만 최근, 자동차 및 기계산업의 발달과 사용환경 및 제품수명의 변화로 인해, 이러한 단점을 보완하는 방법으로 전산해석을 이용한 내구 강도 해석기술이 활용되고 있다. 본 연구에서는 피로내구해석 전용 프로그램인 FEMFATi- 이용하여, SPR접합 시험편의 피로수명을 예측하였다. 해석에 사용한 하중은 실험에서 구한 최대 인장하중의 30% 수준의 하중을 적용하였다.
- 본 연구에서는, 자동차 차체의 경량화에 대비하여 실험과 전산해석방법을 통해 SPR접합부의 구조강성 및 피로수명에 대한 평가를 수행하였으며, 그 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 평가하였다. 실험이 수행된 모든 시험편에 대해 해석을 수행하였다. 이것으로부터 굽힘 모멘트의 작용을 확인할 수 있었다.
- 앞서 검증된 수치모델을 가상의 구조물에 적용하여 구조해석을 수행하고, FEMFAT을 이용하여 피로 하중에 대한 손상률과 피로수명을 예측하였다. Fig.
- <'7 따라서, 본. 연구에서는 자동차 차체의 경량화에 대비하여 실험적 방법과 해석적 방법을 이용하여 SPR접합부의 '구조강성 및 피로 강도를 평가하였다. 또한, 해석결과를 시험 결과와 비교 검토함으로써 사용된 수치모델의 타당성을 검증하였다.
- 피로시험은 유압 서보식 피로시험기를 사용하여 실온 대기 중에서 응력비 0.1, 10田로 시험을 수행하였으며, 하중은 인장시험으로부터 제시된 최대 하중의 30% 정도 수준의 하중을 적용하였다.
대상 데이터
- Fig. 14에 나타낸 가상모델은 8점의 SPR접합으로 결합되어있고 두께 limn의 5J32와 0.8mm의 SPCC로 구성되어 있다. 해석모델은 대칭 조건으로 1/4만을 모델링하였다.
- SPR접합 시험편은 알류미늄합금과 합금강으로, 다양한 차체재료의 조합으로 동일재료와 이종 재료로 구분하였으며, 각 판재 재질의 기계적 성질을 Table 1에 나타내었다. 각 시편 조합은 Table 2와 같이 판재 재질과 두께에 따라서 A, B, C, D, E로 구분하였다.
- 본 시험에 사용된 SPR접합 시험편은, 점용접이나 기타 접합부의 기본적인 강도를 측정하는데 일반적으로 사용되는 겹치기이음 시험편이며, 시험편의 제작 형태는 Fig. 2에 나타내었다.
- 각 시편 조합은 Table 2와 같이 판재 재질과 두께에 따라서 A, B, C, D, E로 구분하였다. 시험기는 UTM을 사용하였으며, 하판을 고정 상판을 인장시켰다. 인장속도는 2mm/min으로 하였다.
- 해석에 사용된 모델은 145개의 요소와 182개의 절점으로 구성되어 있으며, 실험에서 제공한 시험편과 동일한 치수와 형상을 가지고 있다.
데이터처리
- 해석에 사용한 하중은 실험에서 구한 최대 인장하중의 30% 수준의 하중을 적용하였다. 또한, 응력비 0.1 로 10, 000회의 반복수를 적용하여 해석을 수행하였다. 해석에 사용된 모델은 구조 강성해석 모델과 동일하다.
- 연구에서는 자동차 차체의 경량화에 대비하여 실험적 방법과 해석적 방법을 이용하여 SPR접합부의 '구조강성 및 피로 강도를 평가하였다. 또한, 해석결과를 시험 결과와 비교 검토함으로써 사용된 수치모델의 타당성을 검증하였다. 그리고 검증된 수치모델을 적용한 가상의 SPR 구조물에 대해 피로수명을 예측하였다.
성능/효과
- 이러한 메카니즘에의해 SPR접합부 주위에서는 복잡한 응력분포가 발생하게 되고 응력집중이 초래되며 결국 이 러한 응력집중부에서 파단이 일어난다.时 Fig. 11에서와 같이, 해석에서의 최대 응력 발생 위치와 피로시험후 파단된 위치가 일치함을 확인할 수 있었다. 또한, Fig.
- 15와 같은 변형을 보였다. 그리고 진폭하중 l, 300N, R=0의 피로하중으로 반복수 10, 000회를 적용하여 내구해석을 수행한 결과, A번 SPR 접합에서 최대 10.4의 손상율을 나타내었다. Miner의 법칙"°에 따라 계산된 피로 수명은 960회였다.
- 그리고, 피로현상 자체도 여러가지 시험 조건에 따라 데이터의 분산폭이 크기 때문에 확률적인 검토를 병행하는 것이 일반적이다. 본 연구에서 피로파단수명을 기준으로 시험결과와 해석 결과를 비교해 볼 때, 크게는 약 80%부터 작게는 20%정도까지의 오차가 발생했다. 평균적으로 약 40% 정도의 오차범위 내에 해석결과가 존재하였으며, 이 정도의 오차범위는 앞서 설명한 전산 피로 해석의 허용오차 범위 내에 존재한다고 생각된다.
- 실험을 통해 SPR 겹치기 이음 시험편의 강성 및 피로거동을 고찰한 결과, 강성은 유사해도 재료의 종류 및 두께의 조합에 따라서 피로 수명이 다름을 알 수 있었다.
- 3에 나타내었다. 이음강도는 E 시험편이 가장 높았으며, 알루미늄 합 금만으로 구성된 A 시험편 보다는 알루미늄 합금과 합금강으로 구성된 B, C, D, E 시험편이 최대 50% 이 상 더 높았다. 또한, 양쪽 판재의 두께가 두꺼울수록 이음강도가 높았다.
후속연구
- 이상의 결과로부터, 본 연구에서 사용된 수치 모델이 차체 SPR 접합부의 구조강성 및 피로 수명 평가시 실물실험을 대체할 수 있는 대안이라고 판단되며, 향후 다양한 접합부의 강도 평가와 모델링 기법 개발의 기초자료로 사용될 수 있다고 사료된다.
- 또한 작업환경의 안전성을 해치는 유해가스 및 아크의 발생이 필연적이며, 다공성으로 인해 강도적 측면에서 문제가 될 수 있다. 이에 비해 높은 에너지 효율, 이종 재질간의 용이한 결합, 결합부위의 열적 손상 무결, 그리고 친환경적 결합방법 등의 장점을 지니고 있는 SPR접합법이 향후 다양한 재질의 접합 방법으로 광범위하게 활용될 것으로 예상된다. 일반 리벳의 경우에는 리벳구멍을 뚫는 선공정이 필요하지만, SPR은 이러한 전처리 공정이 필요 없다.
- 이런 공정상의 특징으로 인하여, 점용접이 어렵거나 불가능한 재료의 접합에 매우 요긴하게 사용될 수 있다. 특히 차세대 자동차로 최근 관심이 집중되고 있는 연료전지 자동차, 하이브리드 자동차 등의 개발에 일조할 것으로 기대된다.
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