[논문]변동하중을 받는 Lower Control Arm의 잔류응력 변화

김기훈; 강우종

doi:10.3795/ksme-a.2006.30.5.602

변동하중을 받는 Lower Control Arm의 잔류응력 변화
Residual Stress of the Lower Control Arm Subjected to Cyclic Loading 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.30 no.5 = no.248, 2006년, pp.602 - 608

김기훈 (자동차부품연구원 구조특성) , 강우종 (자동차부품연구원 구조특성)

Abstract ▼ AI-Helper

Vehicle components such as lower control arm are usually affected by heat during the welding process. As a result, residual stress is generated, which has much effect on mechanical performances such as crashworthiness and durability. In this study, the residual stress in lower control arm has been measured by the x-ray diffraction method and been analyzed by finite element methods. Heat transfer during seam weld process has been calculated and used in calculating thermal deformation with temperature dependent material properties. High residual stress has been found at vertical wall both by measurement and simulation. The simulation also showed the residual stress re-distribution when the component is subjected to cyclic loading condition.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

3333px;">(8~10) 초기 몇 회의 반복 하중에서 큰 폭으로 완화된다. 따라서 LCA의 잔류응력이 변동하중 상태에 있을 때 어느 정도의 응력이완 효과가 있는지 해석적 방법으로 알아보았다. 해석 모델은 Fig.
그러나 현실적으로 모든 위치에서의 응력텐서 측정 이 불가능하므로 유한요소 해석을 이용하여 잔류응력 텐서를 구하는 것이 가장 일반적인 방법이다. 따라서 용접 잔류응력을 구하기 위하여 용접현상의 열전달 및 열탄소성 해석을 수행하여 그 결과를 충돌, 내구 등의 다른 해석에 초기응력으로 고려할 수 있도록 하고자 한다. 본 연구의 열전달 및 열탄소성 유한요소 해석을 위하여 LS-DYNA⁽⁵⁾를 이용하였다.
본 연구에서는 용접시 발생하는 높은 온도상승과 위치별 냉각속도의 차이에 의하여 일어나는 열변형을 유한요소법을 이용하여 계산하여 부품에 존재하는 잔류응력의 크기를 알아보고자 한다. 또한 실제 부품의 잔류응력을 비파괴검사장비인 X선 응력 측정기를 이용하여 측정한 후 해석 결과와 비교하여 상관성을 검토하고자 하며, 반복 하중 하에서의 잔류응력 변화를 분석하고자 한다.
본 연구에서는 자동차 현가계 부품 중 내구성능이 중요한 부품의 하나인 LCA의 가공 공정 중 용접으로 인한 잔류응력의 발생을 유한요소해석을 통하여 분석하였다. 또한 비파괴 응력측정 장비를 이용하여 실제 부품의 잔류응력을 측정하였으며 해석결과와 비교하였다.

제안 방법

6에 나타난 바와 같다.(6) 실제 LCA의 용접 공정과 같이 강판의 양쪽 면에서 자연 대류에 의한 냉각이 발생하도록 하였다.
열응력해석에서는 실제 용접 공정과 같은 구속조건을 적용하였다. LCA를 용접하기 위하여 하판의 구멍에 지그를 위치시키기 때문에 지그와 접촉하는 절점의 변위를 Z방향으로 구속하였으며 부쉬가 장착되는 부위와 볼조인트가 장착되는 위치는 6자유도를 구속하였다.
LCA의 열전달 해석으로부터 얻어진 온도분포변화를 이용하여 열탄소성 해석을 수행하였다. 상변태로 인한 소성변형^{이때 측정하고자 하는 표면에 피막이 없고 표면 거칠기가 일정할수록 측정 신뢰도가 높아지게 된다. 따라서 용접선을 따라 응력을 측정하는 것은 신뢰성이 매우 낮으므로 용접선 주위의 열영향부에서의 잔류응력을 측정하였다.}

또한 실제 부품의 잔류응력을 비파괴검사장비인 X선 응력 측정기를 이용하여 측정한 후 해석 결과와 비교하여 상관성을 검토하고자 하며, 반복 하중 하에서의 잔류응력 변화를 분석하고자 한다.

본 연구에서 사용한 X선 잔류응력 측정기는 기계가공 후 구조물 내에 남아 있는 잔류오스테나이트의 크기를 측정하여 응력으로 계산하게 된다. 이는 Bragg의 법칙을 이용하여 일정한 각도로 입사하는 X선이 시편에 반사되어 나올 때 입력되는 X선의 파장과 출력되는 각을 측정하여 결정격자의 길이를 계산하는 방법이다.

현재는 비파괴 측정장비의 발전으로 인하여 X선을 이용하는 방법, 자기적 성질을 이용하는 방법 및 초음파를 이용하는 방법 등이 사용되고 있다. 본 연구에서는 X선을 이용하는 비파괴측정 장비인 3차원 잔류응력 측정기를 이용하여 시편의 잔류응력을 측정하였다.

본 연구에서는 앞에서 설명한 바와 같이 용접부의 잔류응력을 비파괴검사 장비를 이용하여 측정하였다. 그러나 현실적으로 모든 위치에서의 응력텐서 측정 이 불가능하므로 유한요소 해석을 이용하여 잔류응력 텐서를 구하는 것이 가장 일반적인 방법이다.

나타낸다. 본 해석에서는 전류 180-190A, 전압 18V, 이송속도는 5mm/s를 적용하였으며, 열전달 해석을 위한 지배 방정식 및 경계조건은 다음과 같다.

용접시 용접물의 온도가 증가하여 상변태 온도에 이르면 잠열(latent heat)에 의해 온도의 증가가 정체되는 현상이 있다. 상변태를 넘어서기 위해서는 잠열에 해당되는 열을 소비시켜야 하는데 이를 위하여 상변태가 발생하는 시간 동안 다음과 같이 비열을 증가시키는 방법을 사용하였다.

열탄소성 해석을 하기 위해서는 온도변화를 알아야 하므로 다음과 같이 열전달 해석을 수행하였다. 용접은 용접선을 따라서 용접봉이 일정 속도로 이동하면서 지그위에 고정되어 있는 각 부품을 용접하게 된다.

텐서이다. 열팽창계수, 탄성계수, 응력-면형률 선도 등을 온도의 함수로 고려하여 해석하였으며, Fig. 9에는 해석에 사용된 온도의존 물성치를 나타내었다.

이것은 성형에 의한 잔류응력 이 측정 결과에는 포함되었기 때문인 것으로 사료된다. 이와 같은 잔류응력은 부품의 성능에 영향을 미치게 되며 변동하중을 받을 경우 변화하게 되므로 반복하중을 받는 경우에 대하여 잔류응력의 이완 및 재분포 특성을 유한요소해석을 통하여 분석하였다.

10은 열응력 해석으로 얻어진 쉘 요소의 인장 응력 분포를 도시한 것이다. 인장 잔류응력이 부품의 내구수명을 저하시키기 때문에 인장응력을 도시하였다. σ_xx의 경우 단면 A-A', B-B'(Fig.

데이터처리

통하여 분석하였다. 또한 비파괴 응력측정 장비를 이용하여 실제 부품의 잔류응력을 측정하였으며 해석결과와 비교하였다. 부품의 용접 열영향부에 약 300~400MPa의 인장 잔류응력이 측정되었으며, 열탄소성 해석을 통하여 얻어진 응력에 비하여 약간 큰 것으로 나타났다.

이론/모형

따라서 용접 잔류응력을 구하기 위하여 용접현상의 열전달 및 열탄소성 해석을 수행하여 그 결과를 충돌, 내구 등의 다른 해석에 초기응력으로 고려할 수 있도록 하고자 한다. 본 연구의 열전달 및 열탄소성 유한요소 해석을 위하여 LS-DYNA⁽⁵⁾를 이용하였다.

성능/효과

각 단면의 열영향부에 해당하는 5번 위치에서는 약 300 ~ 400MPa의 잔류응력이 존재하는 것으로 측정되었다. 반면 용접선에서 멀리 떨어진 면내에 위치한 측정 위치에서는 상대적으로 응력의 크기는 작았으며 단면 A-A, 에서는 대부분 압축, 단면 B-B에서는 대부분 인장 잔류응력이 존재하고 크기는 100 ~ 200MPa 정도의 범위에 있는 것으로 측정되었다.
측정되었다. 반면 용접선에서 멀리 떨어진 면내에 위치한 측정 위치에서는 상대적으로 응력의 크기는 작았으며 단면 A-A, 에서는 대부분 압축, 단면 B-B에서는 대부분 인장 잔류응력이 존재하고 크기는 100 ~ 200MPa 정도의 범위에 있는 것으로 측정되었다. Fig.
또한 비파괴 응력측정 장비를 이용하여 실제 부품의 잔류응력을 측정하였으며 해석결과와 비교하였다. 부품의 용접 열영향부에 약 300~400MPa의 인장 잔류응력이 측정되었으며, 열탄소성 해석을 통하여 얻어진 응력에 비하여 약간 큰 것으로 나타났다. 이것은 성형에 의한 잔류응력 이 측정 결과에는 포함되었기 때문인 것으로 사료된다.
단면에 수직한 방향인 σ_xx은 용접 초기에 압축이었으나 인장으로 바뀌는 것으로 나타났으며, σ_y_y는 이보다 작은 값으로 지속적인 인장 상태에 있는 것으로 나타났다. 열응력 해석 결과로 나타난 응력은 최대 약 300MPa로 측정 결과에 비하여 작았으며 이것은 측정 결과로 얻어진 응력 값에는 성형으로 인한 잔류응력이 함께 포함되어 있기 때문인 것으로 보인다.

후속연구

13의 A 점에서의 응력 변화를 도시한 것으로 초기에 약 250MPa의 응력을 갖고 있었지만 1회의 변동하중을 받은 후 응력은 150MPa로 크게 감소하였으며 그 다음 사이클에서는 응력 감소량이 크지 않은 것으로 나타났다. 따라서 용접으로 인한 잔류응력을 고려하여 부품의 내구수명을 예측하기 위해서는 이와 같이 잔류응력의 이완 및 재분포 특성을 고려하여야 할 것으로 보인다.

참고문헌 (12)

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상세보기
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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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