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가설 설정
- 일반적으로 알루 미늄 합금소재는 상온에서 변형률속도(strain rate)에 대해 큰 차이가 없는 것으로 알려져 있다[9]. 따라서 본 연구에서는 충돌해석 시 변형률 속도에 대한 Al5052 합금소재의 소성변형거동의 변화는 고려하지 않았다.
제안 방법
- (1) H형 인장시험과 인장전단시험을 통해 CZM의 클린칭 접합부의 인장 및 전단모드의 파괴거동을 평가하였다. 이를 통해 CZM의 특성을 결정하는 파괴인자인 클린칭 접합부 파괴 시 최대하중을 결정하는 임계응력과 접합부가 흡수하는 에너지를 결정하는 파괴인성이 결정된다.
- (3) CZM기반 클린칭 접합모델을 활용하여 클린칭 접합 충돌시험편의 충돌성능이 SPR을 8점 적용 시험편과 동일한 충돌성능을 가지도록 설계하였다. 충돌해석결과, 클린칭 접합 13점 적용 시 SPR 적용 시험편과 유사한 성능을 가지는 것으로 평가되었다.
- 충돌시험편은 Fig. 7(a)와 같이 단면이 모자 형태로 제작된 판재에 평판을 갖다 대어 접합한 Top-hat 타입[7]으로 제작하였다. 또한 Fig.
- CZM에 요구되는 접합부 물성치인 파괴인성 GC 와 임계응력 σmax 는 H형 인장시험(H-type tensile test) 및 인장전단시험(single lap shear test)을 통해 평가하였다.
- CZM은 두 개의 파괴역학 인자인 파괴인성 GC(fracture toughness)와 균열선단부의 임계응력σmax (critical stress for crack tip region)를 사용하여 균열부의 파괴거동을 해석한다.
- 두 시험편의 충돌성능을 정량적으로 비교하기 위해 Fig.14에 나타낸 것과 같이 SPR 8점과 클린칭 접합 13점을 적용한 충돌시험편의 충돌성능을 비교하였다. 최대하중은 클린칭 시험편이 196.
- CZM에 요구되는 접합부 물성치인 파괴인성 GC 와 임계응력 σmax 는 H형 인장시험(H-type tensile test) 및 인장전단시험(single lap shear test)을 통해 평가하였다. 또한 CZM을 클린칭 다점접합이 사용되는 실제품에 Top-hat 타입의 충돌시험편에 대한 충돌해석을 수행하였다. 그 결과를 실제 충돌시험 결과와 비교하여 본 연구에서 제시한 CZM을 이용한 클린칭 접합부 해석 기법의 타당성을 검증하였다.
- 본 연구에서는 CZM을 활용하여 클린칭 접합부를 해석하였다. 또한 제안된 CZM 기반 클린칭 접합모델을 활용하여 클린칭 다점 접합을 적용한 충돌시험편을 설계하여 타당성을 제시하였으며, SPR 적용 시험편과 비교평가하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 먼저 CZM의 파괴거동을 나타내는 파괴인자인 σmax와 GC 및 탄성계수 E의 영향도를 파악하기 위해 Table1과 같이 Case1을 기준으로 각 인자들의 값에 변화를 준 4가지 경우에 대해 해석을 수행하였다.
- Lee 등[8]에 의하면 SPR은 알루미늄 합금과 같은 경량금속의 접합에 널리 사용되고 있는 접합방법이며, 클린칭 접합을 이용하여 SPR과 유사한 충돌성능의 시험편을 제작하였다. 본 연구에서는 8점의 SPR 접합을 적용한 충돌시험편과 동일한 충돌성능을 가지도록 클린칭 접합 충돌시험편을 설계하였다. 비교대상인 SPR 8점을 적용한 충돌시험편의 실험 결과는 최대하중 189.
- 본 연구에서는 CZM을 활용하여 클린칭 접합부를 해석하였다. 또한 제안된 CZM 기반 클린칭 접합모델을 활용하여 클린칭 다점 접합을 적용한 충돌시험편을 설계하여 타당성을 제시하였으며, SPR 적용 시험편과 비교평가하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 본 연구에서는 상용해석 s/w인 ABAQUS에서 지원하는 접착요소(cohesive element)를 활용하여 Fig. 1과 같이 인장 및 전단 모드에 대한 클린칭 접합을 해석하였다. 먼저 CZM의 파괴거동을 나타내는 파괴인자인 σmax와 GC 및 탄성계수 E의 영향도를 파악하기 위해 Table1과 같이 Case1을 기준으로 각 인자들의 값에 변화를 준 4가지 경우에 대해 해석을 수행하였다.
- 인장모드에 대한 클린칭 접합의 파괴거동을 평가하기 위해 H형 인장시험을 수행하였으며, 시험편 규격은 Fig. 3에 나타내었다. 접합소재는 2.
- 충돌시험은 충돌해석과 동일한 조건인 3,000J의 에너지를 부과하여 수행하였으며, 결과를 통해 얻어진 하중-변위곡선을 Fig. 10에 나타내었다. 충돌시험 결과, 압입깊이는 62.
- 11점의 클린칭 접합은 인장 및 전단모드 실험과 동일한 12mm의 클린칭 금형을 사용하였다. 충돌시험편의 고정단과 충돌부에서는 7mm 두께의 Al5052 합금 소재를 미그(MIG)용접하여 충돌 시 충돌에너지가 원활히 전달되도록 하였다.
- 충돌해석 조건은 Fig. 8에 나타낸 것과 같이 질량이 200kg인 충돌체에 초기속도 5.48m/s를 부여하여, 총 3,000J의 충돌에너지를 부과하는 충돌해석을 수행하였다. 클린칭 접합부의 물성치는 CMZ 기반 클린칭 접합모델에서 평가된 인장 및 전단 모드 CZM 물성을 적용하였다.
- 충돌해석조건과 동일한 Top-hat 타입 충돌시험편을 제작하여 충돌시험을 수행하였다. 11점의 클린칭 접합은 인장 및 전단모드 실험과 동일한 12mm의 클린칭 금형을 사용하였다.
- 48m/s를 부여하여, 총 3,000J의 충돌에너지를 부과하는 충돌해석을 수행하였다. 클린칭 접합부의 물성치는 CMZ 기반 클린칭 접합모델에서 평가된 인장 및 전단 모드 CZM 물성을 적용하였다. 또한 충돌해석은 상용해석 s/w인 ABAQUS를 사용하였다.
- 또한 충돌해석은 상용해석 s/w인 ABAQUS를 사용하였다. 클린칭 접합의 충돌성능은 충돌 후 시험편의 압입깊이, 최대하중 및 총 압입깊이의 50% 지점에서의 충돌 에너지를 평가하였다. 충돌해석에서 평가된 11점 클린칭 접합 충돌시험편의 하중-변위 곡선을 Fig.
대상 데이터
- 충돌해석조건과 동일한 Top-hat 타입 충돌시험편을 제작하여 충돌시험을 수행하였다. 11점의 클린칭 접합은 인장 및 전단모드 실험과 동일한 12mm의 클린칭 금형을 사용하였다. 충돌시험편의 고정단과 충돌부에서는 7mm 두께의 Al5052 합금 소재를 미그(MIG)용접하여 충돌 시 충돌에너지가 원활히 전달되도록 하였다.
- 실제 차체 구조물은 다수의 클린칭 접합이 적용되기 때문에 다점 접합모델에 대한 타당성이 요구된다. 본 연구에서 제안한 CZM 기반 클린칭 접합모델의 다점 접합구조물에 대한 타당성을 검증하기 위해 클린칭 접합이 다수 사용된 Top-hat 타입의 충돌시험편에 적용하였다.
- 3에 나타내었다. 접합소재는 2.4mm의 두께를 가지는 Al5052 합금소재를 사용하였으며, 클린칭 접합의 직경은 12mm이며, 클린칭 접합부 면적은 113.10mm2이다. H형 인장시험에 대한 실험 결과, Fig.
- 7(b)에 나타낸 것과 같이 플랜지부 양 끝단 20mm의 위치에서 시작하여 28mm의 피치(pitch)를 가지도록 11점의 다점접합을 수행하였다[8]. 접합소재는 CZM 파괴물성을 평가하기 위해 사용된 소재와 동일한 Al5052 합금소재를 사용하였다. 일반적으로 알루 미늄 합금소재는 상온에서 변형률속도(strain rate)에 대해 큰 차이가 없는 것으로 알려져 있다[9].
데이터처리
- 클린칭 접합부의 물성치는 CMZ 기반 클린칭 접합모델에서 평가된 인장 및 전단 모드 CZM 물성을 적용하였다. 또한 충돌해석은 상용해석 s/w인 ABAQUS를 사용하였다. 클린칭 접합의 충돌성능은 충돌 후 시험편의 압입깊이, 최대하중 및 총 압입깊이의 50% 지점에서의 충돌 에너지를 평가하였다.
- 충돌해석 결과를 바탕으로 클린칭 접합 13점을 적용한 시험편을 제작하여 충돌시험을 수행하여 SPR 시험편과 비교하였다. Fig.
이론/모형
- CZM 기반 클린칭 다점 접합모델을 이용하여 충돌시험편에 대한 설계를 수행하였다. Lee 등[8]에 의하면 SPR은 알루미늄 합금과 같은 경량금속의 접합에 널리 사용되고 있는 접합방법이며, 클린칭 접합을 이용하여 SPR과 유사한 충돌성능의 시험편을 제작하였다.
- 본 연구에서는 접착영역모델(cohesive zone model, CZM)을 사용하여 클린칭 접합부의 변형 및 파단 거동을 해석하였다. CZM에 요구되는 접합부 물성치인 파괴인성 GC 와 임계응력 σmax 는 H형 인장시험(H-type tensile test) 및 인장전단시험(single lap shear test)을 통해 평가하였다.
성능/효과
- (2) 실제품 적용을 위해 CZM기반 클린칭 접합 모델을 활용하여 다점 클린칭 접합이 적용된 Top-hat 충돌시험편을 해석하고, 실험결과와 비교하여 9.3%이내의 오차범위에서 유사한 결과를 얻을 수 있었다. 이를 통해 제안된 CZM기반 클린칭 접합 모델의 실제품 적용이 타당함을 확인하였다.
- 또한 CZM을 클린칭 다점접합이 사용되는 실제품에 Top-hat 타입의 충돌시험편에 대한 충돌해석을 수행하였다. 그 결과를 실제 충돌시험 결과와 비교하여 본 연구에서 제시한 CZM을 이용한 클린칭 접합부 해석 기법의 타당성을 검증하였다.
- 95kN으로 나타났다. 또한 충돌에너지 흡수능을 평가하기 위해 총 압입깊이의 50% 수준인 압입깊이 30mm에서의 충돌에너지 흡수량을 평가한 결과, 1,879kJ의 에너지를 흡수하는 것을 확인할 수 있었다.
- 본 연구에서는 8점의 SPR 접합을 적용한 충돌시험편과 동일한 충돌성능을 가지도록 클린칭 접합 충돌시험편을 설계하였다. 비교대상인 SPR 8점을 적용한 충돌시험편의 실험 결과는 최대하중 189.63kN, 압입깊이 53.125mm이다. 압입깊이 30mm 지점에서의 충돌에너지 흡수량은 1849.
- 실험 결과, Fig. 6에에 나타낸 것과 같이 최대접합강도는 4,004N, 파괴에너지는 6,204J으로 측정되었고, 식 (1)과 (2)에 의해 계산된 클린칭 접합부의 전단모드에 대한 CZM 물성치는 σmax =35.40MPa, GC =54.85MPa, E=100GPa이다.
- 56 kN으로 높게 평가되었으나, 최대하중 이후의 하중 변화는 서로 유사한 것으로 나타났다. 압입깊이는 54.781mm로 나타났으며, 압입깊이 30mm 지점에서 충돌에너지 흡수량은 1793.54 J로 평가되었다.
- 258mm로 평가되었다. 이것은 접합수가 증가함에 따라 충돌에너지 흡수량이 증가함을 의미하며, SPR 8점을 적용한 시험편의 실험결과와 유사한 충돌성능을 가지는 것으로 평가되었다.
- 3%이내의 오차범위에서 유사한 결과를 얻을 수 있었다. 이를 통해 제안된 CZM기반 클린칭 접합 모델의 실제품 적용이 타당함을 확인하였다.
- 14에 나타낸 것과 같이 SPR 8점과 클린칭 접합 13점을 적용한 충돌시험편의 충돌성능을 비교하였다. 최대하중은 클린칭 시험편이 196.56 kN으로 높게 평가되었으나, 최대하중 이후의 하중 변화는 서로 유사한 것으로 나타났다. 압입깊이는 54.
- 10에 나타내었다. 충돌시험 결과, 압입깊이는 62.97mm, 최대하중은 189.60kN으로 평가되었으며, 유한요소 해석과 같이 동일한 압입깊이 30mm에서의 충돌에너지 흡수량은 1,772kJ의 에너지가 흡수된 것으로 확인되었다. 충돌해석 결과와 비교한 결과, CZM 기반 클린칭 다점 접합모델은 최대 9.
- 충돌해석결과, 클린칭 접합 13점 적용 시 SPR 적용 시험편과 유사한 성능을 가지는 것으로 평가되었다. 충돌시험결과 유한요소 해석과 유사한 변형형상을 얻을 수 있었으며, 최대 3.5% 오차범위에서 유사한 충돌성능을 나타내었다.
- 충돌해석 결과, 압입깊이가 58.66mm, 최대 하중이 171.95kN으로 나타났다. 또한 충돌에너지 흡수능을 평가하기 위해 총 압입깊이의 50% 수준인 압입깊이 30mm에서의 충돌에너지 흡수량을 평가한 결과, 1,879kJ의 에너지를 흡수하는 것을 확인할 수 있었다.
- 60kN으로 평가되었으며, 유한요소 해석과 같이 동일한 압입깊이 30mm에서의 충돌에너지 흡수량은 1,772kJ의 에너지가 흡수된 것으로 확인되었다. 충돌해석 결과와 비교한 결과, CZM 기반 클린칭 다점 접합모델은 최대 9.3%의 오차 내에서 충돌시험 결과와 유사한 충돌성능을 평가할 수 있는 것으로 평가되었다.
- (3) CZM기반 클린칭 접합모델을 활용하여 클린칭 접합 충돌시험편의 충돌성능이 SPR을 8점 적용 시험편과 동일한 충돌성능을 가지도록 설계하였다. 충돌해석결과, 클린칭 접합 13점 적용 시 SPR 적용 시험편과 유사한 성능을 가지는 것으로 평가되었다. 충돌시험결과 유한요소 해석과 유사한 변형형상을 얻을 수 있었으며, 최대 3.
- 13은 충돌 후 시험편의 변형형상을 비교한 결과이다. 클린칭 접합 13점을 적용한 시험편과 SPR 8점을 적용한 시험편의 시험편의 변형이 매우 유사함을 확인하였으며, 두 시험편은 유사한 충돌성능을 가진 것으로 판단된다.
- 12는 충돌해석을 통해 클린칭 접합수에 따른 Top-hat 타입 시험편의 충돌하중의 변화를 나타낸 것이다. 클린칭 접합수가 증가함에 따라 최대하중은 거의 변화가 없는 것으로 나타난 반면, 압입깊이는 감소하였고, 클린칭 접합수 13점을 적용한 시험편에서 압입깊이는 52.258mm로 평가되었다. 이것은 접합수가 증가함에 따라 충돌에너지 흡수량이 증가함을 의미하며, SPR 8점을 적용한 시험편의 실험결과와 유사한 충돌성능을 가지는 것으로 평가되었다.
- 1(a)에 나타낸 것과 같이 계산된 CZM 물성치를 이용하여 H형 인장시험과 동일한 조건에 대해 시뮬레이션을 수행하였다. 해석 결과, 최대접합강도는 3,220kN, 파괴에너지는 5,429J로 확인되었으며, Fig. 4에 나타낸 것과 같이 실험결과와 유사한 하중-변위 곡선을 나타내었다.
- 1(b)에 나타낸 것과 같이 계산된 CZM 물성치를 이용하여 인장전단시험과 동일한 조건에 대해 시뮬레이션을 수행하였다. 해석 결과, 최대접합강도는 3,970kN, 파괴에너지는 6,221J로 확인되었으며, Fig. 6에 나타낸 것과 같이 실험결과와 유사한 하중-변위 곡선을 나타내었다.
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