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문제 정의
- 따라서 본 논문에서는 복수의 용접점을 포함한 점용접 단순 구조물을 대상으로 하여 피로손상의 누적에 따라 이의 주파수 응답의 변화를 고려한 진동피로해석 수행하였다.
- 본 연구에서는 피로손상 누적으로 인한 동적응답의 변화를 고려한 진동피로해석 기법을 제시하였다. 이에 얻어진 결론은 다음과 같다.
제안 방법
- 이에 얻어진 결론은 다음과 같다. (1) 차량용 냉간압연강판(SPCC)의 기계적 특성을 평가하였다. 또한 점용접 시편에 대하여 일정하중제어 피로실험을 수행하여 다음과 같은 S-N 선도를 얻었다.
- (3) 유한요소모델에 대하여 피로실험에서의 피로하중을 적용한 후 유한요소해석을 통해 용접부에서 발생하는 힘과 모멘트를 얻고 피로하중시의 응력을 구함.
- (4) 유한요소해석을 통해 얻은 응력을 이용하여 응력–수명 선도(S–N 선도)를 얻음.
- MSC/Patran 및 MSC/Nastran 을 이용하여 Fig. 6 과같이 8 개의 점용접이 포함된 시험편에 대한 해석을 수행하였다. 해석에는 Shell 요소인 Quad 4 와 점용접에 특화된 요소인 CWELD 를 사용하였고 총 3,410 개의 요소와 3,637 개의 절점을 사용하였다.
- 3 과 같다. 교류전류를 이용한 용접조건은 용접전류 9kA, 용접시간 10cycle, 가압력 300kgf 로 설정하여 모든 시험편에 동일하게 적용하였다.
- 구조물의 피로손상에 따른 동적응답의 변화를 고려하지 않고 초기의 주파수응답특성만을 이용하는 전통적인 진동피로해석의 효용성을 평가하기 위하여 Fig. 5 의 S-N 선도와 Fig. 2 의 하중이력 PSD 를 적용하여 MSC/Fatigue(9)를 이용한 진동피로 해석을 수행 하였다. Fig.
- 7 과 같이 시험편이 지그에 장착되는 부분의6 자유도를, 시험편의 변위를 잡아주는 가이드 부분은1 자유도를 고정하였다. 또한 무게 추에는 MPC 요소를 사용하여 실제 추가 장착되어 있는 것과 같도록 분포하중을 가하여 해석을 수행하였다.
- 1, 속도 15Hz 의 정현파 형태로 일정진폭하중으로 실험하였다. 또한 시험편 한 쪽 끝에 보강판을 덧대어 고정시킴으로써 경계조건에 의한 편심이 생기지 않도록 하였다. 피로한도는 3x106 cycle 로 정의하였다.
- 여기서 i, j 는 진동피로 해석의 반복 횟수와 구조물의 파손된 점 용접부의 수를 각각 나타낸다. 먼저 여러 개의 점용접부를 갖는 대상물에 대하여 기존의 진동피로해석을 수행한다. 이로부터 피로수명이 가장 짧게 평가된 점용접부를 파손이라 정의하고, 이 용접부는 평가모델에서 제거한다.
- 상기의 과정중에서 유한요소해석은 MSC/ Patran(14) 및 MSC/Nastran(15)를 사용하여 수행하였다. 점용접부는 모델링의 간편함, 해석시간 및 정확도 등의 장점을 고려하여 Rupp/LBF 모델로 모델링하였다.
- 파손된 점용접부를 제거한 모델에 의해 변화한동적응답 이력은 주파수응답해석을 재수행하여 구한다. 이처럼 변화한 동적응답 결과를 이용하여 다시 진동피로해석을 수행한다. 구조물의 파손으로 정의되는 단계까지 이 같은 절차를 반복 수행한다.
- 를 사용하여 수행하였다. 점용접부는 모델링의 간편함, 해석시간 및 정확도 등의 장점을 고려하여 Rupp/LBF 모델로 모델링하였다. Rupp/LBF 모델(12,13)은 점용접 너깃 둘레 박판에서의 균열(cracking in the sheet metal)과 너깃 균열(cracking of the spot weld)의 두 가지 경우로 규정하고 있다.
- 주파수에 따른 동적특성을 고려한 피로해석을 위해 주파수 응답 해석을 수행하였다. 주파수 응답해석 범위는 5~700Hz 으로 설정하였으며 주파수 증분의 크기는 10Hz 로 설정하였다.
- 이로부터 피로수명이 가장 짧게 평가된 점용접부를 파손이라 정의하고, 이 용접부는 평가모델에서 제거한다. 파손된 점용접부를 제거한 모델에 의해 변화한동적응답 이력은 주파수응답해석을 재수행하여 구한다. 이처럼 변화한 동적응답 결과를 이용하여 다시 진동피로해석을 수행한다.
- 피로실험은 유압식 인장압축 피로시험기(MTS 810, 10ton)이며 실험은 응력비 R=0.1, 속도 15Hz 의 정현파 형태로 일정진폭하중으로 실험하였다. 또한 시험편 한 쪽 끝에 보강판을 덧대어 고정시킴으로써 경계조건에 의한 편심이 생기지 않도록 하였다.
- M0, M1, M2, M4 은 면적 모멘트이며 응력 파워 스펙트럼 밀도로부터 계산된다. 하중이력의 파워 스펙트럼과 부품의 주파수응답 값을 중첩하여 응력 파워 스펙트럼을 산출한다. 이렇게 구해진 응력 파워 스펙트럼을 이용하여 확률밀도함수 #를 평가할 수 있다.
대상 데이터
- 본 논문에 사용한 시험재료는 자동차 차체용 재료로 많이 쓰이는 냉간압연강판(SPCC)으로서 재료의 화학적 성분은 Table 1 과 같다. 냉각압연 강판의 기계적 특성을 얻기 위해 인장실험을 수행하였고 시험편은 KS B 0801(10) 금속재료의 인장 시험편 규격을 참조하였다.
- 피로실험에 사용한 점용접 시험편은 KS B 0528(11)의 규정에 따라서 제작하였으며 시험편 형상은 Fig. 3 과 같다. 교류전류를 이용한 용접조건은 용접전류 9kA, 용접시간 10cycle, 가압력 300kgf 로 설정하여 모든 시험편에 동일하게 적용하였다.
- 6 과같이 8 개의 점용접이 포함된 시험편에 대한 해석을 수행하였다. 해석에는 Shell 요소인 Quad 4 와 점용접에 특화된 요소인 CWELD 를 사용하였고 총 3,410 개의 요소와 3,637 개의 절점을 사용하였다. 경계조건은 Fig.
이론/모형
- 본 논문에 사용한 시험재료는 자동차 차체용 재료로 많이 쓰이는 냉간압연강판(SPCC)으로서 재료의 화학적 성분은 Table 1 과 같다. 냉각압연 강판의 기계적 특성을 얻기 위해 인장실험을 수행하였고 시험편은 KS B 0801(10) 금속재료의 인장 시험편 규격을 참조하였다. 인장시험의 결과는 Table 2 와 같다.
성능/효과
- (2) 8 개의 용접점이 있는 시험편에 대하여 유한요소해석을 수행하였으며, 제안한 절차에 따라 평가한 결과 피로 손상이 누적됨에 따라 구조물의 동적 응답이 변하는 것을 확인 하였다.
- 6g 로 평가되었다. 또한 임팩트 해머를 이용해 얻은 실제 시험편의 공진주파수와 최대 가속도 값은 각각 555Hz, 24.67g 로 잘 일치하였다.
- 그러나 가진 질량에 가장 가까운 첫 번째 용접점을 제외하곤 모두 무한수명으로 평가되었다. 이를 통하여 기존의 진동피로 해석으로는 점진적인 피로손상의 누적에 따른 피로수명의 변화를 고려하지 못함이 확인되었다.
- 11 은 각각의 주파수응답의해석 결과를 절점 4341 에서 비교한 것이다. 주파수 응답해석 결과 피로손상이 진행될수록 주파수에 따른 시험편의 고유주파수가 감소하고 응답의 크기가 감소하는 것을 확인할 수 있다.
- Table 3 은 동적응답의 변화를 고려한 본 연구의 해석절차와 기존의 진동피로해석 절차에 의한 결과를 비교하여 나타낸 것이다. 표에서 알 수있듯이 동적응답의 변화를 고려하지 않는 기존의 진동피로해석의 결과는 용접점의 파손에 따라 매우 비현실적인 결과를 보이고 있지만 본 연구에서 제안한 해석절차에 의한 결과는 상당히 현실적인 결과를 제시하고 있다.
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