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문제 정의
- 그러므로, 본 연구에서는 프레임에 있어서 용접에 의한 변형과 잔류응력에 대하여 실험과 해석을1) 통해 고찰해보고자 한다.
제안 방법
- Fig. 3에 나타낸 본용접한 프레임을 24시간이 지난 후 3차원 비접촉식 광학 스캐너로 측정하였다. 본용접 시 각 부위 용접 속도는 10.
- 용접중 전류과 전압을 측정한 결과 125A, 22V였다. 가접상태의 초기 프레임의 형상 데이터와 본용접 후프레임의 형상 데이터를 비교하였다.
- 개발 차종의 프레임은 형상이 매우 복잡하기 때문에 본 연구에서는 보다 단순화 시킨 프레임을 제작하여 용접 전, 후 용접 변형에 관한 치수변화 측정실험을 실시하였으며, Fig. 1에 그 형상을 나타내었다.
- 프레임을 차량의 차체에 조립할 때 마운팅부는 상･하 횡방향 파이프의 좌･우 끝단 4점이다. 끝단의 경우 측정치가 부정확한 경향이 있어 끝단에서 10mm안쪽 부위 X축에 수직인 단면의 중심을 측정을 위한 기준점으로 하였다. 횡방향 파이프의 좌측 상, 하거리 LV(Left vertical) 의 거리변화와 횡방향 파이프의 우측 상, 하 거리의 RV(Right vertical)의 거리변화를 측정하였다.
- 횡방향 파이프의 좌측 상, 하거리 LV(Left vertical) 의 거리변화와 횡방향 파이프의 우측 상, 하 거리의 RV(Right vertical)의 거리변화를 측정하였다. 또한, 주변 부품이 프레임에 마운팅되는 주요 부위인 횡방향 파이프 상･하 중간부위거리 CV(Center vertical)의 거리변화와 종방향 파이프 좌･우 중간부위 거리 CH(Center horizontal)의 거리변화를 측정하였다. 측정결과 Table 3과 같이 나타났으며, 프레임이 전체적으로 수축되었음을 알 수 있다.
- 실제의 차량 프레임을 단순화 시켜 파이프를 용접실험 하였으며 용접 후의 변형량을 실험으로 구하였다. 용접 시 프레임에 발생하는 변형 양의 정도와 변형 양상을 실험과 해석을 통하여 검증하였다.
- 열전달 해석을 수행한 결과를 이용하여 열응력 해석을 수행하였다. 열응력 해석에 인풋값으로 사용한 온도에 따른 기계적 특성은 Fig.
- 용접 해석은 상용 소프트웨어인 Abaqus를 이용하여 용접 시 발생하는 프레임의 변형과 잔류응력을 분석하였다. 열전달해석과 열응력해석은 따로 진행하였다. 즉, 열전달해석에 의한 시간에 따른 온도분포를 먼저 구하고 열전달해석의 결과인 온도분포를 이용하여 열응력 해석을 수행하였다.
- 실제의 차량 프레임을 단순화 시켜 파이프를 용접실험 하였으며 용접 후의 변형량을 실험으로 구하였다. 용접 시 프레임에 발생하는 변형 양의 정도와 변형 양상을 실험과 해석을 통하여 검증하였다. 해석은 열전달해석을 통해 구해진 데이터를 활용하여 열응력해석을 수행하였다.
- 용접 해석은 상용 소프트웨어인 Abaqus를 이용하여 용접 시 발생하는 프레임의 변형과 잔류응력을 분석하였다. 열전달해석과 열응력해석은 따로 진행하였다.
- 5 mm/sec로 하였다. 용접을 하고 24시간이 지난 후프레임의 변화를 관찰하였다. 초기 프레임과 용접후 프레임의 변형 차이를 측정하기 위하여 Fig.
- 열전달해석과 열응력해석은 따로 진행하였다. 즉, 열전달해석에 의한 시간에 따른 온도분포를 먼저 구하고 열전달해석의 결과인 온도분포를 이용하여 열응력 해석을 수행하였다.
- 용접을 하고 24시간이 지난 후프레임의 변화를 관찰하였다. 초기 프레임과 용접후 프레임의 변형 차이를 측정하기 위하여 Fig. 2에 나타낸 Accretech 사의 3차원 비접촉식 광학 측정기(Optigo200)를 이용하였으며, 이 시스템의 측정 오차는 평균 0.1mm 이내이다.
- 용접 시 프레임에 발생하는 변형 양의 정도와 변형 양상을 실험과 해석을 통하여 검증하였다. 해석은 열전달해석을 통해 구해진 데이터를 활용하여 열응력해석을 수행하였다. 실험결과는 용접 후변형률이 -0.
- 끝단의 경우 측정치가 부정확한 경향이 있어 끝단에서 10mm안쪽 부위 X축에 수직인 단면의 중심을 측정을 위한 기준점으로 하였다. 횡방향 파이프의 좌측 상, 하거리 LV(Left vertical) 의 거리변화와 횡방향 파이프의 우측 상, 하 거리의 RV(Right vertical)의 거리변화를 측정하였다. 또한, 주변 부품이 프레임에 마운팅되는 주요 부위인 횡방향 파이프 상･하 중간부위거리 CV(Center vertical)의 거리변화와 종방향 파이프 좌･우 중간부위 거리 CH(Center horizontal)의 거리변화를 측정하였다.
대상 데이터
- 의 대류열전달 조건을 부여하였다. 열전달 해석시 사용한 물성은 일반 구조용 강의 온도에 따른 조건을 사용하였다.1) 용접 열원에서의 온도는 1,500℃를 적용하였다.
- 온도의 구배가 큰 용접 비드 근처의 Element 크기는 Fig. 4와 같이 1mm 이하의 Element를 사용하였으며, 열에 의한 영향이 적은 부분은 요소의 크기를 크게 구성하였다.
- 프레임 구성 파이프는 Table 1의 기계적특성을 갖는 SAPH440 소재를 사용하였으며 지름×두께×길이 Ф76.6×3.2t×1,000의 원형 파이프를 이용하여 개발 차종의프레임과 유사한 형태의 단순화된 프레임을 제작하였다.
성능/효과
- 해석은 열전달해석을 통해 구해진 데이터를 활용하여 열응력해석을 수행하였다. 실험결과는 용접 후변형률이 -0.11 ~ -0.81%로 나타났으며 주로 파이프양 끝단에서 더 높은 변형률을 나타냈다. 해석결과는 용접 후 변형률이 -0.
- 81%로 나타났으며 주로 파이프양 끝단에서 더 높은 변형률을 나타냈다. 해석결과는 용접 후 변형률이 -0.07 ~ -0.72%로 변화함을 알 수 있었으며 역시 파이프 양 끝단에서 용접 후 더 높은 변형률을 나타내었다. 본 해석결과는 열전달해석에 의한 시간에 따른 온도분포를 먼저 구하고 열전달해석의 결과인 온도분포를 이용하여 열응력 해석을 수행하는 커플링 해석이며 이를 통하여 실험 데이터와 유사한 해석결과를 얻는 데 학문적 의의가 있다.
후속연구
- 최대응력이 발생하는 위치는 용접 시작점 근처이며 이는 차량의 횡방향 하중으로 응력이 높게 나타나는 부위이니 차량 내구성 측면에서 주의 깊게 설계할 부위이다. 향 후 용접 순서에 따른 프레임의 변형 차이에 관한 연구를 통하여 용접순서에 따른 프레임의 변형을 감소시킬 수 있는 방안을 연구할 예정이다.
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