[논문]딤플형 내부구조 금속 샌드위치 판재의 제작 및 정적 굽힘 실험

성대용; 정창균; 윤석준; 이상훈; 안동규; 양동열

doi:10.3795/ksme-a.2006.30.6.653

딤플형 내부구조 금속 샌드위치 판재의 제작 및 정적 굽힘 실험
Fabrication of Metallic Sandwich Plates with Inner Dimpled Shell Structure and Static Bending Test 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.30 no.6 = no.249, 2006년, pp.653 - 661

성대용 (한국과학기술원 기계공학과) , 정창균 (한국과학기술원 기계공학과) , 윤석준 (한국과학기술원 기계공학과) , 이상훈 (조선대학교 기계공학과) , 안동규 (조선대학교 기계공학과) , 양동열 (한국과학기술원 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Metallic sandwich plates with various inner cores have important new features with not only ultra-light material characteristics and load bearing function but also multifunctional characteristics. Because of production possibility on the large scale and a good geometric precision, sandwich plates with inner dimpled shell structure from a single material have advantages as compared with other solid sandwich plates. Inner dimpled shell structures can be fabricated with press or roll forming process, and then bonded with two face sheets by multi-point resistance welding or adhesive bonding. Elasto-plastic bending behavior of sandwich plates have been predicted analytically and measured. The measurements have shown that elastic perfectly plastic approximation can be conveniently employed with less than 10% error in elastic stiffness, collapse load, and energy absorption. The dominant collapse modes are face buckling and bonding failure after yielding. Sandwich plates with inner dimpled shell structure can absorb more energy than other types of sandwich plates during the bending behavior.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

일반적으로 굽힘 하중을 받는 샌드위치 판재는 표면판재가 굽힘 하중을 지탱하고, 내부구조는 전단력에 대한 저항을 가지며 표면판재가 항복된 후 소성거동을 좌우한다. 따라서 본 연구에서는 대량생산이 가능하고 정밀도 높은 딤플형 내부구조의 제작공정을 제안하고 표면판재항복후 좌굴에 의한 붕괴를 억제하여 샌드위치 판재의소성거동을 개선하고자 한다.
본 연구는 굽힘 하중에 대한 샌드위치 판재의붕괴하중과 에너지 흡수량을 개선하기 위하여 딤플 형 내부구조 금속 샌드위치 판재를 제작하였다. 그리고 정적 굽힘 실험을 통해 트러스와 직조금속망 내부구조 샌드위치 판재와 굽힘 특성을 비교분석하였다.

가설 설정

이론적 붕괴하중은 중립면의 위치가 샌드위치판재의 중앙에 위치하고 접합공정에서 이상적으로딤플 반경은 줄어드나 형상은 유지된다고 가정하에 계산하였다.

제안 방법

(1) 구분적 구획성형기법을 원용하여 시편보다작은 금형으로 원하는 사이즈의 딤플형 내부구조를 복제하였고 다점저항용접을 통해 시편내 두께편차 3% 이내의 정밀도 높은 샌드위치 판재를 제작하였다.
여기서 구체적인 용접변수 선정과정은 생략한다. 그리고 Fig. 5 는 제작된 시편들의 두께 편차를 측정하기 위해 시편길이방향으로 15mm 간격으로 측정한 결과이며 측정은 다이얼게이지를 이용하였고 시편마다 10 개의 위치에서 측정하였다. 그 결과를 Table 1 과 Table 2 에 표기하였는데 내부구조와 샌드위치 판재의 두께 편차는 모두 시편내 3%, 시편간 7% 이내로 측정되었다.
제작하였다. 그리고 정적 굽힘 실험을 통해 트러스와 직조금속망 내부구조 샌드위치 판재와 굽힘 특성을 비교분석하였다. 이상의 연구결과를 다음과 같이 정리 하였다.
딤플형 금속 샌드위치 판재가 굽힘 하중을 받을 때 탄소성 굽힘 거동과 파손 및 붕괴 모드를 파악하고 이론적 해석과 비교하기 위하여 Fig. 7 과 같은 3 점 굽힘 실험을 수행하였다. 실험은 표준 실험 장치인 INSTRON 5583 장치를 이용하였으며, ASTM E270 규격 " 에 따라 직경이 25.
딤플형 샌드위치 판재를 다른 형태의 내부구조를 갖는 금속 샌드위치 판재와 굽힘 특성을 비교해 보았다. 비교 대상의 샌드위치 판재는 Fig.
4 와 같이 전극의 압력 에 의해 샌드위치 판재의 두께(H)가 얇아져서 굽 힘 강성이 낮아지게 된다. 따라서 2.5mm 와 2.2mm 두께의 샌드위치 판재를 제작하기 위해 스 토퍼의 높이를 샌드위치 판재의 두께에 맞게 설정 하였으며 전류 통전시간, 전류 밀도와 같은 샌드 위치 판재의 형상에 영향을 미치지 않는 용접변수 를 선정하여 최대 접합강도를 가지는 용접조건을 결정하였다. 여기서 구체적인 용접변수 선정과정은 생략한다.
2와 같이 여러 단계로 성 형하여 3 점 굽힘 시편 (20mm X 160mm) 또는 중격시편 (120mm X 120mm) 등의 원하는 넓이에 내부구조를 복제 할수 있다. 설계변경을 고려해 간의 펀치와 다이의교체가 가능하도록 가이드 금형에서 펀치와 다이를 따로 설계하여 분리 및 장착이 용이하도록 하였다. 펀치보다 넓은 면적의 시편에 내부구조를복제하기 위하여 성형된 시편의 끝 부분을 다이의패턴과 일치시켜 다음 단계의 성형을 위한 위치를제어하였으며 마찰을 최소화하기 위하여 WD-40 윤활제를 사용하였다.
설계변경을 고려해 간의 펀치와 다이의교체가 가능하도록 가이드 금형에서 펀치와 다이를 따로 설계하여 분리 및 장착이 용이하도록 하였다. 펀치보다 넓은 면적의 시편에 내부구조를복제하기 위하여 성형된 시편의 끝 부분을 다이의패턴과 일치시켜 다음 단계의 성형을 위한 위치를제어하였으며 마찰을 최소화하기 위하여 WD-40 윤활제를 사용하였다. 제작된 내부구조는 프레스를 통해 성형되어 두께편차가 3% 이내의 정밀도를 가지며 롤 금형을 이용할 경우 대면적 내부구조를 대량생산 할 수 있다는 장점이 있다.

대상 데이터

7 과 같은 3 점 굽힘 실험을 수행하였다. 실험은 표준 실험 장치인 INSTRON 5583 장치를 이용하였으며, ASTM E270 규격 " 에 따라 직경이 25.4mm 인 펀치와 다이를 이용하였으며 다이 간격(span length) 은 120mm 의 조건으로 실험을 실시하였고 펀치의압하량을 5mtn/min 로 30mm 까지 설정하였다. 실험 결과의 하중-처짐 선도와 완전 강소성 이론적 (elastic perfectly plastic) 해석을 Fig.
2nun 총 4가지 종류의 시편을 제작하였고 제작된 시편에 대한 세부적인 치수는 Table 3 에 표기하였다. 2.5mm 두께의 샌드위치 판재는 내부 딤플 판재(匕)의 재료로 0.3t 를 사용하였고 2.2mm 의 샌드위치 판재는 0.2t 의 내부 박판을 사용하였다. 이는 표면판재를 0.
12 는 각각의 샌드위치 판재들의 하중-변위 선도를 나타내는 그림이다. 모든 실험 시편은 폭 20mm, 길이 160mm, 표면판재의 두께 0.3t, 양단 지지점간 거리(span length) 120mm 의 동일 재료와 실험조건에서 실시하였다.。는 피라미드형 트러스 코어를 제작하기 위해 익스펜디드 메탈을 절곡한 각도이고직조금속 망의 직조배열각도는 패턴각도(©)와 동일 기호를 사용하였는데 weft 방향을 0° , warp 방향을 90° 로 정의하였다.
보았다. 비교 대상의 샌드위치 판재는 Fig. 11과 같이 상용 익스펜디드 메탈을 절곡하여 만든 피라미드형 트러스 코어를 내부구조로 하는 샌드위치 판재(7)와 상용 직조금속 망을 내부구조로 하는 샌드위치 판재°)이며 내부구조와 표면 판재를 다점 저항용접을 통해 접합한 판재이다. Fig.
3t로 고정하고 최적의 용접변수를 찾기 위해 용접 스토퍼와의 관계에서 결정된 재료 두께이다. 재료는 표면판재와 내부판재 모두 스테인리스 스틸(sus 304)을 사용하였고 탄성계수(E)는 180GPa 이고 단축인장 항복응력( b, ) 283MPa 로 측정되었다.

성능/효과

(2) 제작된 샌드위치 판재의 정적 굽힘 실험 결과 표면판재항복에 의해 파손이 발생하였으며 소성힌지에 의해 붕괴하였고 붕괴모드는 패턴각도 0° 일 때는 용접결함, 패턴각도 45° 일 때는 표면 판재 좌굴의 모드로 붕괴하였다.
(3) 내부구조의 강성을 무시한 굽힘 강성과 완전 강소성 붕괴하중의 측면에서 이론적 해석과 실험결과가 10% 정도의 오차로 비교적 일치하였다.
(4) 딤플형 금속 샌드위치 판재는 무게는 트러스보다 약 10% 무거우나 붕괴하중은 약 2 배, 단위 질량당 변형에너지는 10 배 정도 개선되었다. 또한, 직조금속 망 내부구조 샌드위치 판재보다약 6% 가벼우나 붕괴하중은 7.
이는 샌드위치 판재와 재료판재의 두께편차에 의한 불안정성과 접점에서 발생하는 탄성 힌지에 의한 추가적인 전단변형이 오차요인(方으로 분석된다. 그리고 붕괴 하중은 측정치보다 10% 이내로 적게 계산되었으나 비교적 붕괴하중을 잘 예측한 것으로 판단되므로 전단력보다는 모멘트에 의한 소성힌지가 발생하여 붕괴한 것으로 분석하였다. 가공경화현상과 용접 및 내부구조 성형시 발생하는 잔류응력등이 오차원인으로 판단된다.
내부구조의 강성은 패턴각도의 영향을 거의 받지 않았으나 패턴각도 0° 일 때가 다소 크게 측정되었고 내부구조의 강성을 무시한 이론적 강성보다 약 10% 정도 적은 경향을 보였다. 이는 샌드위치 판재와 재료판재의 두께편차에 의한 불안정성과 접점에서 발생하는 탄성 힌지에 의한 추가적인 전단변형이 오차요인(方으로 분석된다.
5mm)형 샌드위치 판재의 굽힘 특성을 Table 5 의 결과로부터 비교 분석한 결과, 딤플형 금속 샌드위치 판재는 무게는 트러스보다 약 10% 무거우나 붕괴하중은 약 2 배 단위 질량 당 변형에너지는 약 10 배 정도 개선되었다. 또한, 직조금속 내부구조 샌드위치 판재보다 무게는 약 6% 정도 가벼우나 붕괴하중은 7.5%, 단위 질량 당 변형에너지는 약 80% 개선되었다. 이는 면재의딤플 내부구조가 표면판재항복에 의한 초기 파손 발생 후 붕괴까지의 하중을 지탱하는 반면에 선재의 트러스나 직조금속 망 내부구조는 표면판재의 항복 후 하중을 지탱하지 못하고 바로 붕괴하기 때문이다.
개선되었다. 또한, 직조금속 망 내부구조 샌드위치 판재보다약 6% 가벼우나 붕괴하중은 7.5%, 단위 질량당변형에너지는 약 80% 개선되어 샌드위치 빔으로써 안전한 구조임을 확인하였다.
2mm 의 샌드위치 판재의 경우 용접시전극의 압력에 의해 반구형 딤플이 컵 형상으로소성변형하여 딤플 간의 간격이 좁아져서 좌굴을억제한 것으로 판단된다. 완전 탄소성 이론은 샌드위치 판재가 붕괴하기까지의 거동을 비교적 잘묘사하고 있는데 특히 내부구조의 강성을 무시한굽힘 강성과 가공경화현상을 고려하지 않은 붕괴하중이 약 10% 의 오차로 예측된 것을 확인 할수 있었다. 그리고 패턴각도 0° 가 붕괴하중이 크고 붕괴까지의 최대 처짐량이 길어 많은 변형에너지를 흡수 할 수 있으므로 굽힘 하중에 대한 샌드위치 빔으로써 보다 안전한 구조로 판단된다.

참고문헌 (13)

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저자의 다른 논문 :

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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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