[논문]CAE를 이용한 자동차용 휠(wheel)의 피로수명 예측기법 연구

김만섭; 고길주; 김정헌; 양창근; 김관묵

문제 정의

또한, 구조물의 응력분포에서 가장 큰 응력은 일반적으로 표면에서 발생하며, 구조물 내부에 큰 결함이 없으면 피로 균열은 표면에서 발생하여 내부로 전파되어 진다. 본 연구에서도 휠 표면의 응력분포를 이용하여 피 로수명을 예측하고자 한다.'
휠의 내구시험은 일반적으로 굽힘 피로시험과 수직하중 내구시험이 있다. 수직하중 내구시험은 1-piece 주조 합금 휠에서는 크게 문제가 되지 않으 므로 본 연구에서는 알루미늄 합금(A356.2) 휠의 굽힘 피로시험에 대한 수명 예측 기법 만을 고찰하였다.

가설 설정

io년 이상 자동차가 주행되면 휠이 받는 반복응력은 몇 백만번 이상이 되기 때문에, 이때까지 피로 균열이 발생되지 않아야 휠로서의 역할을 기능적으로 수행할 수 있게 된다. 이 때의 피로(fatigue)는 탄성영역 내에서의 반복변형으로 인한 고주기 피로특성이 주가 되 므로, 피로 해석은 재료의 소성 및 경화는 무시하고 오직 탄성 특성만을 가정하여 수행하였다.
휠이 고정되어 있는 굽힘피로 시험기 상단이 고정된 면은 아니지만 휠과 피로시험기가 같이 붙어 서 진동하므로 피로시험 기 자체에서 발생하는 원심력만 휠에 외력으로 작용하는 것으로 가정하였다. 힘은 bolt hole과 hub 접촉면을 통해서 휠에 전달된다.

제안 방법

따라서 이 S-Ncurve를 이용하여 높은 신뢰도를 가지는 구간을 구해야 특정 응력에서의 피로수명을 비교적 정확히 예측할 수 있다. Spoke 부분의 피로시험 결과를 회귀분석하여 회귀 직선을 구한 후, FE 응력해석 결과를 통한 피로수명 예측 자료로 활용하였다"이
1) 고주기 피로특성을 나타내는 알루미늄 합금 (A356.2) 휠에 대하여 굽힘 피로시험을 하였다. 그 결과 B/M와 응력진폭은 선형 적인 상관관계 를나타내었다.
2) FE 응력 해석 시 필요한 S-N curve를 구하기 위해서 spoke 부분에 대한 피로시험을 하였다. 또한 특정 응력에서의 피로수명을 정확히 예측하기 위해서 s]x)ke 부분의 피로시험 결과를 회귀분석하여 회귀 직선과 신뢰구간을 구하였다.
FE 응력 해석 시 필요한 S-N curve를 구하기 위해서 주로 파괴가 발생하는 spoke 부분에 대한 피로시험을 실시하였다. S-N curve는 주조결함 및 질량효과에 따른 열처리 차이 때문에 휠 모델마다 차이가 나므로, 정확한 해석을 위해서는 모델마다 피로시험을 실시해야 한다.
이런 결함들이 모여 미세 균열이 발생하고 전파되어 큰 균열로 성장하게 되는데, 이런 균열들로 인해서 최종적으로는 재료 파괴가 일어나게 된다. 따라서 본 연구는 수명예측 기법 중에서 표면 결함의 발생을 중시한 total life approach를 사용하였고, 이런 일 련의 가정 들을 수식으로 나타낸 Basquin의 실험식을 사용하여 피로시험 및 해석을 고찰하였다
이는 재료조직의 피로 민감도가 표면 거 칠기의 피로 민감도보다 더 크기 때문인 것으로 사료된다. 따라서 본 연구에서는 표면처리에 따른 피로특성의 편차가 무시할 수 있는 수준이었으므로, 피로시편은 CNC 선반에서 diamond cutting 가공하여 사용하였다. Fig.
3에 나타난 변형율 변화는 불규칙한 파형이 흡수되어 있어서 응텩진폭을 계산하기가 어럽다. 따라서 불규칙한 파형을 제거하기 위해서 smog thing을 실시하였으며, 이를 통하여 spoke와 hub의응력 진폭을 계산하였다. Fig.
1)를 사용하여 B/M를 변화시키면서 휠의 spoke와 hub 부분의 변형율을 측정하였다. 변형 율은 strain gage (CEA- 06-032 WT-120, MM Inc.)를 이용하여 측정하였고, strain gage는 응력이 크게 발생하는 spoke와 hub 부분에 붙여 사용하였다(Fig. 2). 변형측정 장비는 직접 제작하였으며, 측정된 모든 자료는 2kHz의 sampling 처리속도와 12bit resolution을 가진 A/D convertor를 사용하여 저장하였다.
2). 변형측정 장비는 직접 제작하였으며, 측정된 모든 자료는 2kHz의 sampling 처리속도와 12bit resolution을 가진 A/D convertor를 사용하여 저장하였다.⁶⁾
응력측정 시험은 굽힘 피로시험기(Fig. 1)를 사용하여 B/M를 변화시키면서 휠의 spoke와 hub 부분의 변형율을 측정하였다. 변형 율은 strain gage (CEA- 06-032 WT-120, MM Inc.
8에는 피로해석을 위해 단순화시켜 만든 피로시험 모델을 나타내었다. 측정한 응력 진폭이 B/M 와 선형적인 상관관계를 가지고 있으므로(Fig. 4) FE 응력해석도 선형 해석을 하였다.
표면처리에 따른 피로특성을 고찰하기 위해서, 피로시편 (Fig. 6)을 #600의 sand paper와 3㎛의 diamond powder로 표면처리하여 피로시험을 실시하였다. 두 시편의 피로시험 결과는 비슷하였고 모두 오차 범위 내에 존재하였다.
3) 최대 응력 peak값을 구하여 피로수명 예측을 수행하면 된다. 휠 내부의 최대 응력을 구하기 위해서는 360° 전 방향에 대해 해석을 수행하여야 하지만, 휠이 회 전축에 대해 symmetry 특성을 가지고 있으므로 휠을 일정 구간으로 나누어 일정 각도로 회전시키며 해석을 수행하였다.
휠모델별로 FE 응력해석 기법을적용하여피로 해석한 후, 해석값과 실제 피로 시험값에 대한 검증 을 하였다.

데이터처리

4) 휠 모델 별로 FE 응력해석 기법을 적용하여 피로해석한 후, 해석값과 실제 피로 시험값에 대한 검증을 하였다. 그 결과 모델별 피로파괴가 피로해석 수명구간 내에서 발생하였으며, 실제 피로파괴부위와 해석 상의 응력집중 부위가 일치하였다.
2) FE 응력 해석 시 필요한 S-N curve를 구하기 위해서 spoke 부분에 대한 피로시험을 하였다. 또한 특정 응력에서의 피로수명을 정확히 예측하기 위해서 s]x)ke 부분의 피로시험 결과를 회귀분석하여 회귀 직선과 신뢰구간을 구하였다.

성능/효과

3) 피로시험 후의 변형율과 FE 응력해석 후의 변형 율은 선형적인 상관관계를 나타내었고, 해석에서 구한 응력이 실제 휠에 분포하는 응력과 차이가 없음을 나타내었다.
Table 1 에는 본 시험에 사용된 피로시편의 인장시험 결과를 나타내었다. 8.3% 정도의 높은 연신율은 주조결함이 비교적 적음을 나타내며, 기계적 성질 들의 편차가 적은 것은 주조의 편차가 적음을 나타낸다.
2) 휠에 대하여 굽힘 피로시험을 하였다. 그 결과 B/M와 응력진폭은 선형 적인 상관관계 를나타내었다.
4) 휠 모델 별로 FE 응력해석 기법을 적용하여 피로해석한 후, 해석값과 실제 피로 시험값에 대한 검증을 하였다. 그 결과 모델별 피로파괴가 피로해석 수명구간 내에서 발생하였으며, 실제 피로파괴부위와 해석 상의 응력집중 부위가 일치하였다.

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