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문제 정의
- 하지만 이런 유용한 방법임에도 불구하고 재홀확장시에 잔류응력의 분포를 정확히 파악하는 연구는 거의 이루어 지지 않았다. 그러므로 본 연구에서는 홀확장 적용홀이 외부조건에 의해 변형되는 잔류응력의 분포를 파악하고 재홀확장 적용시 재 생 성되는 잔류응력의 상태를 유한요소 해석을 통하여 알아 보았다. 이때, 다른 변수를 고려하여 효과적인 재홀확장 방법을 제시하였다.
- 본 연구에서는 홀확장 적용 홀의 잔류응력분포가 외부의 인장력 크기에 의해 어떻게 재분포 되는지 를 파악 하고 재홀확장시 재 생성되는 잔류응력 분포를 파악하여 다음과 같은 결론을 내렸다.
제안 방법
- Here, a diversity tensile stress was used. Also, it was performed a finite element analysis according to cold expansion rate of re cold expansion in order to obtain a beneficial compressive residual stress.
- So, compressive residual stresses of material have to regenerate by re-cold expansion method. In this paper, it was carried out a finite element analysis about variation of residual stress due to tensile stress and residual stress distribution that was regenerated by re-cold expansion method in the fastener hole. Here, a diversity tensile stress was used.
- 홀확장률이 증가할수록 더욱더 낮은 압축잔류응력 분포를 생성하지만, 홀확장률이 8% 초과하면 체결홀에 소성변형을 일으키기 때문에 4~6%의 홀확장률을 많이 적용 하고 있다. 따라서, 본 장에선 재홀확장 비율을 6% 와 8%로 하여 홀확장비율에 따른 재홀확장 잔류응력의 변화를 알아 보았다. Fig.
- Jang㎛은 외부로부터 진전 오는 균열에 홀확장 잔류응력이 미치는 영향 에 대해 유한요소 해석을 통하여 연구하였으며, Papanikos@)와 Khn®은 인접한 두 홀의 홀확장 잔류응 력 평가에 대해 유한요소 해석과 동시적 홀확방법을 제시 한바 있다. 또한 Zhamg©과 은 실제 홀확장 법 적용시 부재의 피로수명평가와 홀확장 적용시 잔 류응력 측정 위한 실험적 연구를 수행하여 홀확장법 의 효과를 입증하였다. 그러나, 이렇게 홀확장법을 이용하여 생성된 체결홀의 잔류응력은 일정시간 부재의 사용에 의해 점차 소멸되어 결국 국부적인 인장응력 에 의해 파괴가 일어날 것이다.
- 이때, 형상봉이 흘을 완전히 관통하는데 총 변위 를 80번의 증분으로 나누어서 해석 하였다. 또한, 형상봉을 강체(rigid body)로 취급하여 강체요소 (rigid element)를 적용하였으며, 형상봉의 회전 중 심축에 기준 절점을 설정하여 기준절점을 통해 형상봉이 이동하도록 하였다. 또한, 형상봉과 홀 면 사이에는 접촉(contact)처리를 통해 서로 파고 들지 못하게 하였고 유한요소 해석을 위해ABAQUS, ver 6.
- 유한요소 해석에 있어서 항공기 부품으로 사용되는 A16061-T6 합금 모델을 사용하였으며, 잔류 응력 생성의 정확한 해석을 위해 인장시험을 통해 Fig. 2 와 같은 탄소성 물성 (진응력-진변형률 선도)을 구하여 해석에 반영하였다. 또한, 탄성계수 (Y6ung‘ s modulus) E 는 72GPa 을 사용하였다.
- 그러므로 본 연구에서는 홀확장 적용홀이 외부조건에 의해 변형되는 잔류응력의 분포를 파악하고 재홀확장 적용시 재 생 성되는 잔류응력의 상태를 유한요소 해석을 통하여 알아 보았다. 이때, 다른 변수를 고려하여 효과적인 재홀확장 방법을 제시하였다.
- 홀확장 적용시, 실제 상황과 동일한 조건을 주기 위해 형상봉이 홀 속으로 이동하도록 설정하였다. 이때, 형상봉이 흘을 완전히 관통하는데 총 변위 를 80번의 증분으로 나누어서 해석 하였다. 또한, 형상봉을 강체(rigid body)로 취급하여 강체요소 (rigid element)를 적용하였으며, 형상봉의 회전 중 심축에 기준 절점을 설정하여 기준절점을 통해 형상봉이 이동하도록 하였다.
- 5 는 실제 잔류응력 측 정실험 모습이다. 측정에 사용한 측정 장비는 Stresstech-Oy(핀란드)에서 제작한 XSTRESS3000 을 사용하여 시편에서의 입구면과 출구면에서 홀면으로 부터 1.5mm, 2mm, 3mm, 5nun 의 접 선방향의 잔류응력을 측정하고 그 값을 홀 면으로부터의 거리 (R)를 홀의 지름(r)으로 나누어 무차원화하여 Fig. 6 에 나타내었다. 이때, 측정 방법은 ASTM E915- 96(“)을 이용하였으며, 측정시 오차를 줄이기 위하여 3.
- 33과 270MPa 을 각각 사용하였다. 해석을 위한 유한요 소망 구성은 Fig. 3 과 같이 중앙에 지름 6mm 의 홀이 있는 3차원 부재 모델에 홀확장법 및 양끝 에 인장응력을 적용하도록 설정하였으며, 유한요 소해석 시간을 고려하여 대칭성을 적용한 1/4 모 델로 하였다.
- 흘확장법을 적용한 후 평판의 양끝에 인장응력을 lOOMPa, 150MPa, 200MPa 을 각각주고 다시 재홀확장을 하는 방법을 사용하였다. 홀확장 적용시, 실제 상황과 동일한 조건을 주기 위해 형상봉이 홀 속으로 이동하도록 설정하였다. 이때, 형상봉이 흘을 완전히 관통하는데 총 변위 를 80번의 증분으로 나누어서 해석 하였다.
- 4 에서처럼 3 단계로 해석을 수행하였다. 흘확장법을 적용한 후 평판의 양끝에 인장응력을 lOOMPa, 150MPa, 200MPa 을 각각주고 다시 재홀확장을 하는 방법을 사용하였다. 홀확장 적용시, 실제 상황과 동일한 조건을 주기 위해 형상봉이 홀 속으로 이동하도록 설정하였다.
대상 데이터
- 2 와 같은 탄소성 물성 (진응력-진변형률 선도)을 구하여 해석에 반영하였다. 또한, 탄성계수 (Y6ung‘ s modulus) E 는 72GPa 을 사용하였다. 이때 푸아송비( V)와 항복웅력 (bQe 0.
- 또한, 탄성계수 (Y6ung‘ s modulus) E 는 72GPa 을 사용하였다. 이때 푸아송비( V)와 항복웅력 (bQe 0.33과 270MPa 을 각각 사용하였다. 해석을 위한 유한요 소망 구성은 Fig.
- 0 mm 직경의 시준기(collimator)를 사용하였고 X-ray 조사시간은 15 초로 하였다. 전해 연마를 위하여 사용한 전해연마액은 Table 1 의 A 용액과 B 용액을 혼합하여 제작하였으며, 전해 연마 깊이는 기 계 가공에 의한 영향을 배 제하기 위하여 5um 마 다 깊이에 따른 잔류 응력을 측정하여 적정 전해 연마깊이를 25um 으로 결정하여 사용하였다. 알루 미늄의 경우 결정립 입자가 상대적으로 커서 다른 재질에 비하여 측정 오차가 크다는 것을 감안하면 Fig.
데이터처리
- 유한요소 해석의 타당성을 입증하기 위하여 홀확장 실험 후 X-ray difliaction (XRD)을 하여 해석 결과값과 비교하였다. Fig.
이론/모형
- 또한, 형상봉을 강체(rigid body)로 취급하여 강체요소 (rigid element)를 적용하였으며, 형상봉의 회전 중 심축에 기준 절점을 설정하여 기준절점을 통해 형상봉이 이동하도록 하였다. 또한, 형상봉과 홀 면 사이에는 접촉(contact)처리를 통해 서로 파고 들지 못하게 하였고 유한요소 해석을 위해ABAQUS, ver 6.43)와 PATRAN 2005 를 사용하였다.
- 6 에 나타내었다. 이때, 측정 방법은 ASTM E915- 96(“)을 이용하였으며, 측정시 오차를 줄이기 위하여 3.0 mm 직경의 시준기(collimator)를 사용하였고 X-ray 조사시간은 15 초로 하였다. 전해 연마를 위하여 사용한 전해연마액은 Table 1 의 A 용액과 B 용액을 혼합하여 제작하였으며, 전해 연마 깊이는 기 계 가공에 의한 영향을 배 제하기 위하여 5um 마 다 깊이에 따른 잔류 응력을 측정하여 적정 전해 연마깊이를 25um 으로 결정하여 사용하였다.
성능/효과
- (1) 홀확장법 적용시, 형상봉이 들어 가는 방향 (Entry), 부재의 중간부분(Mid) 그리고 형상봉이 빠져 나가는 출구부(Exit)에서 홀면으로 부터의 잔류응력 분포가 다르게 나타난다.
- (2) 외부의 인장응력이 lOOMPa 이상이면 홀면의 압축잔류응력층은 소멸되고 외부의 인장응력이 커 질수록 부재 내부응력도 인장응력을 변화한다.
- (3) 4%홀확장 적용홀에 동일 홀확장으로 재홀 확장 하였을 경우, 부재의 중간면과 출구면에선 비교적 많은 압축력이 발생한 반면에 입구면에선 상대적으로 낮은 압축 잔류웅력이 발생한다.
- (4) 외부로부터의 인장응력 값이 커질수록 재 홀확장을 통한 유효잔류응력 생성이 잘 되지 않 는다.
후속연구
- 9(b)는 더욱 낮은 압축 잔류응력을 생성함을 알 수 있다. 그러므로, 재홀확장을 적용할때에는 본래 적용한 홀확장 비율보다 더 큰 홀확장률을 적용하여 재홀확장을 실시하여야 보다 유효한 잔 류응력을 생성할 수 있을 것이다.
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