[논문]쉘 요소를 이용한 박판성형공정의 유한요소해석

정동원; 고형훈; 이찬호; 유호영

[국내논문] 쉘 요소를 이용한 박판성형공정의 유한요소해석
Finite Element Analysis of Sheet Metal Forming Process Using Shell Element 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.23 no.1 = no.178, 2006년, pp.152 - 158

정동원 (제주대학교 기계에너지시스템공학부) , 고형훈 (제주대학교 기계공학과 대학원) , 이찬호 ((주)오토폼엔지니어링코리아) , 유호영 (울산과학대 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

The AutoForm previously used the membrane element and it accomplished sheet metal forming analysis. The membrane analysis has been widely applied to various sheet metal forming processes because of its time effectiveness. However, it is well-known that the membrane analysis can not provide correct information for the processes which have considerable bending effects. In this research experimental results were compared with the analysis results obtained by using the shell element which is applied newly in the AutoForm commercial software. The shell element is a compromise element between continuum element and membrane element. The Finite element method by using shell element is the most efficient numerical method. From this research, it is known that FEA by using shell element can predict accurately the problems happened in actual experimental auto-body panel.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 쉘 요소가 새롭게 적용된 AutoForm 상용소프트웨어를 통해 박판성형 공정을 해석해 보았으며, 신뢰성 평가를 위하여 실제실험한 판넬 제품과 비교, 검토해 보았다. 본 연구로부터 얻은 결론은 다음과 같다.

가설 설정

낼 수 있다. 여기서 동적 가정이란 소재의 수직 벡터가 변형 중에 직선으로 남아있다는 것이고, 정적 가정은 박판 소재의 두께 방향으로 응력과 응력 증분이 P'이라는 가정으로, 소재의 두께가 길이나 폭에 비해 매우 작은 박막이론에서 광범위하게 채택되고 있는 가정이다.

제안 방법

하지만 딥 드로잉과 굽힘 가공 공정과 같이 공정의 특징상 굽힘의 효과가 무시될 수 없는 공정이있어 이러한 공정의 해석에서는 적절한 방법으로굽힘의 효과를 고려한 필요가 있다. 이번 연구는굽힘이 지배적인 공정에 적용할 경우 부정확한 정보를 제공할 가능성이 큰 박막 해석법과 굽힘을고려할 수 있고 수식화가 간단하다는 장점이 있으나 3 차원 문제를 해석할 경우 계산시간이 과도하게 소요되고, 기억용량이 매우 크게 요구되어 주로축 대칭이나 평면변형과 같은 2차원 문제에 사용되는 연속체 해석 법 (continuum analysis method) 이두 가지 방법의 타협적인 해석 방법인 쉘 해석 법 (shell analysis method)을 사용하여 성형해석한 결과와 실제 실험한 성형 판넬과의 비교를 통해 쉘 해석법의 불량 예측 정확도와 신뢰도를 평가해 보았다 *5 Wang과 Budiansk 는 수직 이방성 재료에 대 한박막수식을 유도하였고, 반구형 펀치에 의한 스트레칭을 해석하였다. Nakanmachi 등은 굽힘 효과를고려하기 위해 금형의 주곡률을 박판의 주곡률로사용하여 스트레칭과 딥드로잉을 해석하였으며, Onate 와 Zienkiewicz 는 점 소성 유동을 이 용하여 마찰과 이방성을 고려한 축 대칭 스트레칭을 해석하였다.
이 실험은 프론트 팬더(Gont fender)에 대해 드로잉, 트리밍, 플랜징(flanging)의 총 3 단계의 성형해석이 행하여 졌으며, Fig. 2 는 각 단계의 툴 셋팅 상태를 보여주고 있다
최종적으로 성형해석에서 나타난 불량위험 부분 및 불량 부분을 실제 실험한 성형제품과 비교하여 보았다. 성형해석 결과 주름 발생 및 주름 발생 위험 지역인 적색과 청색 구간은 실제 실험 성형 제품에서도 주름이 발생하는 것을 Fig.

대상 데이터

실험에 사용된 재료는 CHSP35R 로 고장력 강판 중 가공용 강판이다. P가 첨가된 고용 경 화 강으로 가공성이 우수하여 자동차 판넬(center floor 와 bracket)등의 강도보강을 위해 사용한다.

이론/모형

본 연구에서의 쉘요소의 이론적 배경은 기존연구 7를 참고로 하였다.

성능/효과

보았다. 성형해석 결과 주름 발생 및 주름 발생 위험 지역인 적색과 청색 구간은 실제 실험 성형 제품에서도 주름이 발생하는 것을 Fig. 4 ~ Fig. 9 에서 확인 할 수 있었다. 특히 Fig.
9 에서 (a) 는 실제 실험한 결과이고 (b)는성형해석 결과, (c) 는 해석 결과의 A, B, C 부분의단면으로, 굽힘 발생 시 바로 굽혀지지 않고 굽힘저항으로 인해 볼록 튀어나오면서 굽혀 지는 현상인 사쿠레 현상이 쉘 요소를 사용한 해석결과에서잘 예측되어지고 있다. 기존의 박막 요소를 사용한해석에 서는 굽힘에 대한 정확한 예측이 힘들었으나, 쉘 요소를 적용한 본 해석에서는 실험결과와거의 유사한 해석 결과를 얻을 수 있었다.
(1) 박막 요소 해석의 경우는 굽힘 영역이 있는 경우 적당하지 않으며, 연속체 요소 해석의 경우는 굽힘 영역이 있는 경우도 정밀 해석이 가능하나 과다한 계산 시간의 필요로 인해 극히 정밀한 해석을 요구하지 않는다면 쉘 요소 해석 법을 사용하는 것이 경제적이며, 정확도도 충분하다고 판단된다.
(2) 굽 힘 영역이 포함된 성형해석 결과와 실제 실험한 제품과의 비교를 통하여, 쉘 요소 해석 법을 이용한 해석 결과와 실제 실험한 결과가 불량부위가 비교적 정확하게 일치하고 있어, 쉘 요소 해석 법이 굽힘이 심한 박판성형 공정 해석에 적합함을 알 수 있다.

참고문헌 (13)

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