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문제 정의
- 유한요소해석 기술에 대한 연구는 성형 해석시에 외연적 방법을 사용한 후 탄성회복은 내연적 방법을 이용하는 연계법들이 실제품 해석을 위해 적용되었으며 해석시간의 증가 없이 탄성회복의 정밀도를 증가시키고자 하는 노력이 이루어져 왔다. 본 연구에서는 V-굽힘 모델을 이용한 실험과 유한요소해석 결과를 상 호 보완하여 탄성회복량에 대한 예측정밀도를 향상시키고자 하였다. 굽힘 가공 시 발생하는 탄성 회복량에 가장 지배적인 영향을 주는 굽힘 응력과 잔류응력을 스트레인 게이지를 이용하여 실시간으로 직접 측정함으로써 응력의 변화를 해석결과와 직접 비교하였다.
- 굽힘 가공 시 발생하는 탄성 회복량에 가장 지배적인 영향을 주는 굽힘 응력과 잔류응력을 스트레인 게이지를 이용하여 실시간으로 직접 측정함으로써 응력의 변화를 해석결과와 직접 비교하였다. 실험과 해석에 대한 신뢰도를 높이기 위해 3가지 종류의 소재를 사용하여 검증을 반복함으로써, 유한요소해석을 이용하여 실제 형상 제품에 대한 해석 및 탄성 회복량 제어에 활용하고자 하였다.
제안 방법
- [Fig.8]에서는 응력과 변형률에 대한 측정 결과의 재검증을 위해 SPCC-O0 소재에 대하여 4단계의 가압과 제하를 반복하면서 변형률의 변화를 측정하였다. 인장 곡선상에서 비교한 결과는 [Fig.
- 본 연구에서는 V-굽힘 모델을 이용한 실험과 유한요소해석 결과를 상 호 보완하여 탄성회복량에 대한 예측정밀도를 향상시키고자 하였다. 굽힘 가공 시 발생하는 탄성 회복량에 가장 지배적인 영향을 주는 굽힘 응력과 잔류응력을 스트레인 게이지를 이용하여 실시간으로 직접 측정함으로써 응력의 변화를 해석결과와 직접 비교하였다. 실험과 해석에 대한 신뢰도를 높이기 위해 3가지 종류의 소재를 사용하여 검증을 반복함으로써, 유한요소해석을 이용하여 실제 형상 제품에 대한 해석 및 탄성 회복량 제어에 활용하고자 하였다.
- 실험에서 소재-펀치, 소재-다이와의 마찰의 영향을 줄이기 위해 금형 표면을 정밀 사상 가공하였다. 그리고 펀치의 제어 정밀도를 높이기 위하여 Linear Gauge(정밀도:0.1 “m)를 이용하여 펀치의 이동량을 제어하였다. 탄성 회복량의 측정을 위하여 소재를 다이에 접촉시키고, 펀치를 다이에 접촉 시킨 후 이때의 위치를 초기지점으로 정하고, 펀치의 이동거리는 소재가 90°만큼 성형이 되도록 17.
- 일반적인 박판성형공정에서의 정확한 예측을 위해 성형 공정 해석 시에는 외연적 방법을, 탄성회복 공정에 대해서는 내연적 방법을 사용하고 있는 현재의 유한요소해석 기법에 대한 신뢰도를 입증, 향상시키기 위해 V굽힘 모델을 이용하여 실험과 해석을 수행하였다. 먼저 유한요소해석을 위하여 소재 특성에 대한 영향을 분석하기 위해 물성치가 상이한 3가지 소재(SPCC, All050, AZ31)에 대해서 상호 비교, 분석하였다. 그리고 이를 이용한 FEM 해석과 실험을 통하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 먼저 탄성회복량의 정확한 예측을 위하여 해석의 정밀도에 영향을 미치는 변수들을 분석하고 적정 조건을 선정하기 위하여 요소크기, 요소종류, 두께방향 적분점의 개수를 변수로 선택하여 각각의 변수에 따른 다양한 조건의 해석을 수행하고 이를 검토하여 최적의 해석인자를 선택하였다. 최적 해석을 위한 조건으로 요소는 감차적분을 사용하고, 4절점 쉘요소(S4R), 요소크기는 2mm로 Rp(펀치반경)의 1/3이 되는 값을 사용하였다.
- [Table 3]에 실험에 사용된 대변형용 스트레인 게이지의 규격을 나타내었다. 변형률 측정을 위한 실험조건은 탄성회복량 측정시와 동일하게 하고 DAS(Data Acquisition System)로 실시간 즉정하였다.
- 본 연구에 사용된 소재는 총 3종류로서 물성에 따른 탄성회복의 영향을 분석하기 위해 두께 0.8mm의 철계 소재(SPCC), A1 합금(A11050), Mg합금(AZ31)을 사용하였고, 판재에 존재하는 이방성 효과에 따라 압연 방향으로부터 0°, 45°그리고 90°방향의 ASTM E8M Subsize 인장시편을 이용하여 인장실험을 수행하였고, 인장시험곡선을 Swift식을 사용하여 Curve Fitting한 결과를 이용하여 가공경화지수(n), 가공경화상수(K) 그리고 변형률 (#)의 값을 각각의 소재에 대한 결과를 [Table 1]에 나타내었다.
- 펀치의 가압 속도는 측정 정밀도를 높이기 위해 2mm/min의 저속을 이용하여 성형하고 성형 후에는 탄성 회복의 영향을 피하기 위하여 빠른 속도로 후퇴시켰다. 성형 된 판재의 탄성 회복량은 CMM(3차원 측정기)을 이용하여 0.1mm 간격으로 측정하였다.
- 실시간으로 변형률을 직접 측정하기 위하여 대변형 스트레인 게이지를 판재(가로 100mm, 세로l lOOnun) 중앙에 부착시키고, 가공물과 금형 사이에서 게이지의 변형을 방지하기 위해 간섭 부위는 금형을 수정하였다.[Fig.
- 실험에서 소재-펀치, 소재-다이와의 마찰의 영향을 줄이기 위해 금형 표면을 정밀 사상 가공하였다. 그리고 펀치의 제어 정밀도를 높이기 위하여 Linear Gauge(정밀도:0.
- 1 “m)를 이용하여 펀치의 이동량을 제어하였다. 탄성 회복량의 측정을 위하여 소재를 다이에 접촉시키고, 펀치를 다이에 접촉 시킨 후 이때의 위치를 초기지점으로 정하고, 펀치의 이동거리는 소재가 90°만큼 성형이 되도록 17.1mm만큼 이동시켰다. 펀치의 가압 속도는 측정 정밀도를 높이기 위해 2mm/min의 저속을 이용하여 성형하고 성형 후에는 탄성 회복의 영향을 피하기 위하여 빠른 속도로 후퇴시켰다.
대상 데이터
- 최적 해석을 위한 조건으로 요소는 감차적분을 사용하고, 4절점 쉘요소(S4R), 요소크기는 2mm로 Rp(펀치반경)의 1/3이 되는 값을 사용하였다. 또한 두께에 대한 적분점의 개수는 5개를 사용하였다.
이론/모형
- 해석에 사용된 FE-Solver로는 LS-DYNA-960 이며, Hill의 항복 조건식을 이용하여 유한요소 해석을 수행하였다. 모델링은 I-DEAS, 전처리는 Hyper Mesh를 이용하여 유한 요소를 생성하고, 후처리는 Hyper View를 이용하였다.
- 이 방법은 Phase Adjustment 법을 이용하여 게이트가 설정된 두 에코사이의 위상을 주파수 변화에 따라 측정하여 펄스의 진행시간을 계산한다. 측정된 펄스의 진행시간은 음속계산에 사용되어 V T.
- 일반적인 박판성형공정에서의 정확한 예측을 위해 성형 공정 해석 시에는 외연적 방법을, 탄성회복 공정에 대해서는 내연적 방법을 사용하고 있는 현재의 유한요소해석 기법에 대한 신뢰도를 입증, 향상시키기 위해 V굽힘 모델을 이용하여 실험과 해석을 수행하였다. 먼저 유한요소해석을 위하여 소재 특성에 대한 영향을 분석하기 위해 물성치가 상이한 3가지 소재(SPCC, All050, AZ31)에 대해서 상호 비교, 분석하였다.
- 이 방법은 Phase Adjustment 법을 이용하여 게이트가 설정된 두 에코사이의 위상을 주파수 변화에 따라 측정하여 펄스의 진행시간을 계산한다. 측정된 펄스의 진행시간은 음속계산에 사용되어 V T. V L 를 측정하여 위의 (1), (2)식을 이용하여 포아송비(Poisson' s ratio.v ), 탄성계수(Young' s modulus, E)를 구하였다. 초음파를 이용한 측정 결과 압연 방향(0°)이 가장 큰 값을 나타내었으며, 압연 방향에 직각 방향(90°)이 가장 작은 값을 나타내었다.
- 탄성계수는 초음파를 이용한 측정 방법을 이용하였다. (ASTE-E-1875)
- 해석 시간의 단축과 효율성 증대를 위하여 성형 공정 해석은 외연적 방법을, 스프링백 공정 해석은 내연적 방법을 이용하였다. [Fig.
- 해석에 사용된 FE-Solver로는 LS-DYNA-960 이며, Hill의 항복 조건식을 이용하여 유한요소 해석을 수행하였다. 모델링은 I-DEAS, 전처리는 Hyper Mesh를 이용하여 유한 요소를 생성하고, 후처리는 Hyper View를 이용하였다.
성능/효과
- (2) 탄성회복에 대한 해석과 실험값의 차이 발생에 대한 원인을 분석하고자 판재 소재에 스트레인 게이지를 부착하여 변형률의 변화를 직접 측정한 결과, 탄성 변형율로 0.2 X 10』만큼의 차이를 나타내고 있었다. 결국, 해석 관점에서 가장 큰 차이를 야기시킬 수 있는 것 가운데 하나인 잔류응력의 차이(실험과 해석)는 유한요소해석에서는 75MPa, 실시간 변형률 측정에서는 0(zero)로 나타남을 알 수 있었다.
- 2 X 10』만큼의 차이를 나타내고 있었다. 결국, 해석 관점에서 가장 큰 차이를 야기시킬 수 있는 것 가운데 하나인 잔류응력의 차이(실험과 해석)는 유한요소해석에서는 75MPa, 실시간 변형률 측정에서는 0(zero)로 나타남을 알 수 있었다.
- 4(b)]은 성형공정 후 스프링백 해석을 통한 X-Plane에서의 응력 분포를 나타내고 있다. 성형 시 최대 발생 응력은 약 300MPa로 나타났었고, 스프링백 공정 이후의 응력분포는 약 75MPa로 나타났다. 또한 X-Plane에 최대 변형률은 0.
- 7]에서는 성형 실험 시 스트레인 게이지를 통해 측정한 변형률의 변화를 나타내고 있다. 실시간 변형률 측정에서 SPCC 소재에 대하여 각 방향별로 측정하였는데 압연 방향에 대하여 전 변형률은 0.06272, 소성 변형률은 0.06116로 탄성 변 형률은 0.00155로 나타났다. 그리고 소재의 압연 방향에 따라 미소한 변형률 차이가 발생하였고, 압연 방향에 90° 방향이 가장 큰 차이를 나타내었 는데, 이는 탄성계수의 차이로 판단된다.
- v ), 탄성계수(Young' s modulus, E)를 구하였다. 초음파를 이용한 측정 결과 압연 방향(0°)이 가장 큰 값을 나타내었으며, 압연 방향에 직각 방향(90°)이 가장 작은 값을 나타내었다. 해석에 사용한 탄성계수 값은 각 방향에 따른 값들의 평균값으로 [Table 2]에 나타내었다.
후속연구
- 따라서 잔류응력과 탄성회복률의 정밀한 예측을 위해서는 실제 현장에서 발생되고 있는 복잡하고 다양한 판재 성형 공정을 고려한 해석 모델의 연구가 필요할 것으로 판단되며, 향후 이에 대한 연구가 계속 진행되어져야 한다.
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