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문제 정의
- 본 논문에서는 U 자형 알루미늄 파이프에 존재하는 잔류 응력을 FEM 해석과 라만 분광법을 이용하여 측정하여 보았다.
- 본 연구에서는 FEM 해석을 통하여 파이프가 굽힘 가공되는 경우 발생하는 잔류 응력을 평가하기 위해 탄소성 해석을 수행하였다. 파이프의 소성역 데이터는 인장 시험으로 획득한 진 응력-진변형률 선도를 이용하였다.
제안 방법
- 1) FEM 해석 결과의 타당성 확보를 위해 해석모델과 동일한 규격의 시험편을 이용하여 강성 시험을 수행하였다. 그 결과 하중-변위 선도가 거의 일치하는 것을 확인함으로써 FEM 해석 결과를 검증하였다.
- FEM 해석 결과를 검증하기 위하여 U 자형 알루미늄 파이프에 대하여 강성 시험을 수행하였다. Instron 社의 O.
- FEM 해석을 통하여 알루미늄 파이프의 잔류응력을 평가하기 위하여 탄소성 해석을 수행해야 하는데, 해석 에 필요한 물성 치를 획 득하기 위하여 ASTM E8M 에 따라 알루미늄 직관에 대한 인장시험을 수행하였다. 인장 시험에 사용한 장비는 SHIMADZU 社의 25ton 용량의 전기모터식 시험기이고, 시험이 진행되는 동안 DAQ 를 이용하여 하중과 변위 데이터를 저장하였다.
- FEM 해석을 통하여 평가한 잔류응력 분포를 참고하여 잔류응력이 변화하는 6 지점을 Fig. 11 에서와 같이 표시를 한 뒤 해당하는 지점을 라만 분광기를 이용하여 측정하였다.
- 7%의 U 자형 알루미늄파이프를 대상으로 FEM 해석을 수행하여 잔류응력을 평가하였고, 라만 분광법을 이용하여 평가한 잔류응력 결과와 비교하여 고찰하였다. 또한 FEM 해석 모델과 동일한 재료를 이용하여 실험을 수행하여 FEM 해석 결과를 검증하였다.
- 모델링과 해석은 MSC 社의 , Marc2005, 프로그램 '7 을 통해 수행하였고, 파이프는 8 절점의 solid 3D 요소를 이용하여 모델링하였다.
- 본 연구에서는 순도 99.7%의 U 자형 알루미늄파이프를 대상으로 FEM 해석을 수행하여 잔류응력을 평가하였고, 라만 분광법을 이용하여 평가한 잔류응력 결과와 비교하여 고찰하였다. 또한 FEM 해석 모델과 동일한 재료를 이용하여 실험을 수행하여 FEM 해석 결과를 검증하였다.
- 10 과 같이 하중과 변위선도가 거의 일치하는 것을 확인할 수 있었다. 이로써 FEM 해석 결과의 타당성을 검증하였다.
- 1 에서는 파이프에 삽입한 insert의 형상을 보여주고 있으며, 인장 시험 모습 및 파이프 시험편을 나타내고 있다. 인장 시험은 총 3회 수행하였으며 Fig. 2에 인장선도를 나타내었다.
- 파이프의 굽힘 가공을 위해 사용한 지그는 rigid body 로 구성하였고, 파이프 위쪽에 위치한 지그는 모든 방향으로 구속하였으며, 파이프의 아래쪽에 위치한 지그는 상단에 위치한 지그의 중심을기 준으로 180도 회 전하도록 하였다.
- 8 은 강성 시험을 수행하는 모습이다. 해석에 사용한 조건과 동일한 조건으로 강성 시험을 수행하였다.
대상 데이터
- FEM 해석에서 사용한 모델과 동일한 규격을 가진 U 자형 알루미늄 파이프를 대상으로 하였다. 이 파이프는 순도 99.
- 수행하였다. Instron 社의 O.lton 용량의 8841 모델의 시험기를 강성 시험에 사용하였고, 시험이 진행되는 동안 하중과 변위 데이터를 PC 에 저장하였다. Fig.
- 본 연구에서 측정에 사용한 라만 분광 장치는 영국의 Renichaw 社의 장치로써 500 배율의 렌즈를 탑재하고 있고 헬륨-네온 레이저(wave length : 633nm)를 광원으로 사용하고 있다. 헬륨-네온 레이저의 경우 단일 파장으로 구성되어 있고 높은 출력을 발생시킬 수 있기 때문에 강한 출력 값을 얻어 보다 정확하게 측정할 수 있다는 장점이 있다.
- 위해 탄소성 해석을 수행하였다. 파이프의 소성역 데이터는 인장 시험으로 획득한 진 응력-진변형률 선도를 이용하였다. 해석을 위한 모델은 직경이 10.
- 파이프의 소성역 데이터는 인장 시험으로 획득한 진 응력-진변형률 선도를 이용하였다. 해석을 위한 모델은 직경이 10.12mm, 두께가 0.8mm 이고 곡관부 지름이 20mm 인 U 자형으로 굽은 알루미늄 파이프를 대상으로 하였다. 파이프의 기계적 물성은 Table 1에 나타내었다.
성능/효과
- 2) 라만 분광법을 이용하여 측정한 잔류응력 분포가 FEM 해석을 통해 얻은 잔류응력 분포와 거의 비슷한 경향을 보이는 것을 알 수 있었다. 이로부터 라만 분광법을 사용하여 알루미늄 파이프에 존재하는 잔류 응력의 측정이 가능함을 확인하였다.
- 3) 라만 스펙트럼 측정 결과 잔류응력이 감소하는 경우 라만 이동(raman shift)이 감소하고, 잔류응력이 증가하는 경우 라만 이동이 증가하는 경향을 보이는 것을 알 수 있었다
- 수행하였다. 그 결과 하중-변위 선도가 거의 일치하는 것을 확인함으로써 FEM 해석 결과를 검증하였다.
- 헬륨-네온 레이저의 경우 단일 파장으로 구성되어 있고 높은 출력을 발생시킬 수 있기 때문에 강한 출력 값을 얻어 보다 정확하게 측정할 수 있다는 장점이 있다. 라만 분광 측정 시 관심 파장 영역대가 shift 되는 것을 확인 및 비교함으로써 재료 입자 내부에 존재하는 잔류응력을 관찰할 수 있었다. 사용한 라만 분광 장치 를 Fig.
- 라만 스펙트럼 측정 결과를 분석해 보면 잔류응력이 감소하는 경우 라만 이동(raman shift)이 감소하고, 잔류응력이 증가하는 경우 라만 이동이 증가하는 경향을 보이는 것을 알 수 있었다. 그리고 라만 이동량과 잔류응력간의 변화량을 비교해보면 라만 이동이 icm' 일어나는 경우 잔류응력은 35KPa 만큼 변화한다는 것을 알 수 있다.
- 알루미늄 파이프의 강성 시험 결과와 해석 프로그램에 의한 모의 강성시험 결과를 비교한 결과 Fig. 10 과 같이 하중과 변위선도가 거의 일치하는 것을 확인할 수 있었다. 이로써 FEM 해석 결과의 타당성을 검증하였다.
- 있었다. 이로부터 라만 분광법을 사용하여 알루미늄 파이프에 존재하는 잔류 응력의 측정이 가능함을 확인하였다.
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