[논문]판재성형 해석시 금형내의 공기거동 모델링

최광용; 김헌영

doi:10.5228/kstp.2011.20.5.377

판재성형 해석시 금형내의 공기거동 모델링
Modeling the Behavior of Trapped Air in Die Cavity During Sheet Metal Forming 원문보기

소성가공 = Transactions of materials processing : Journal of the Korean society for technology of plastics, v.20 no.5, 2011년, pp.377 - 386

최광용 (강원대학교 기계의용공학과) , 김헌영 (강원대학교 기계의용공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

During stamping processes, the air trapped between sheet metal and the die cavity can be highly compressed and ultimately reduce the shape accuracy of formed panels. To prevent this problem, vent holes and passages are sometimes drilled into the based on expert experience and know-how. CAE can be also used for analyzing the air behavior in die cavity during stamping process, incorporating both elasto-plastic behavior of sheet metal and the fluid dynamic behavior of air. This study presents sheet metal forming simulation combined simultaneously with simulation of air behavior in the die cavity. There are three approaches in modeling of air behavior. One is a simple assumption of the bulk modulus having a constant pressure depending on volume change. The next is the use of the ideal gas law having uniform pressure and temperature in air domain. The third is FPM (Finite point method) having non-uniform pressure in air domain. This approach enables direct coupling of mechanical behavior of solid sheet metal and the fluid behavior of air in sheet metal forming simulation, and its result provides the first-hand idea for the location, size and number of the vent holes. In this study, commercial software, PAM-$STAMP^{TM}$ and PAM-$SAFE^{TM}$, were used.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 프레스 판재성형 해석시 공기 거동을 고려한 모델링 기법과 각 공기 모델링 기법이 판재 변형에 미치는 영향을 분석하였다. 외연적 유한 요소프로그램에서 공기 거동 모델링은 3가지로 모사할 수 있다.

제안 방법

2절에서 언급한 공기 거동 모델링에 대하여 이론적인 방법과 성형해석 결과를 비교 분석하였다. 검증을 위한 모델은 100×100×100의 사각 박스 형상을 이용하였다.
FPM은 공기의 압력 및 온도가 공기 도메인 내각 위치에 따라 균일하지 않지만 이상기체방정식과의 상대적 비교를 위하여 평균 압력 및 온도를 사용하였다.
성형해석도 이론적 계산 방법과 같이 체적탄성계수와 이상기체방정식을 이용하여 50% 단열압축과정을 적용하였다. Fig.
5t로 Table 3과 같은 기계적 물성을 사용하였으며, 공기는 Table 4와 같은 기체적 물성을 사용하였다. 성형해석은 전형적인 판재성형 해석과 공기거동을 고려한 체적탄성계수, 에어벤트홀을 고려하지 않은 이상기체방정식, 에어벤트홀을 고려한 이상기체방정식과 FPM 기법 등 5가지 방법을 이용하여 판재성형 해석을 수행하였다. Table 5는 성형해석에서 사용된 공정조건이다.
실제 에어벤트홀의 위치는 판재의 외관에 영향을 주지 않고 공기의 배출과 유입을 원활히 할 수 있는 위치에 설치하나, 본 연구에서는 다이부 중앙에 1개, 좌우 상하측에 4개로 각각 5∅로 임의로 설계하였다.
김헌영[8~9]은 유체의 체적탄성계수를 이용하여 액압공정에 대한 성형해석을 수행하였다. 알루미늄 튜브의 열간가스 성형해석에서는 물이 아닌 공기를 이용한 액압공정 성형해석을 수행하여 제품을 개발하였다. 이상기체방정식을 이용한 공기 거동 표현은 자동차 충돌시의 운전자와 탑승자의 상해를 보호하는 에어백(Airbag)의 전개(Deployment) 거동 수치해석에 주로 사용된다.
검증을 위한 모델은 100×100×100의 사각 박스 형상을 이용하였다. 이론적 계산의 편의를 위해 x, y 축 방향은 고정이고, -z방향으로 50% 압축하였을 때의 내부 공기의 압력변화와 온도를 비교하였다.
외연적 유한 요소프로그램에서 공기 거동 모델링은 3가지로 모사할 수 있다. 체적탄성계수(Bulk Modulus) 을 이용한 공기 모델링, 균일 압력의 이상기체 공기 모델링. FPM(Finite Point Method)을 이용한 불균일 압력의 이상기체 공기 모델링 등이다.
판재성형 해석시 프레스내의 공기 거동을 위한 체적탄성계수, 이상기체방정식, FPM 모델링을 적용하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

대상 데이터

(a)와 같이 판재 크기 370mm×480mm의 복동 프레스(Double action press)의 유한요소 모델을 구성하였다.
판재는 SPCD 0.5t로 Table 3과 같은 기계적 물성을 사용하였으며, 공기는 Table 4와 같은 기체적 물성을 사용하였다. 성형해석은 전형적인 판재성형 해석과 공기거동을 고려한 체적탄성계수, 에어벤트홀을 고려하지 않은 이상기체방정식, 에어벤트홀을 고려한 이상기체방정식과 FPM 기법 등 5가지 방법을 이용하여 판재성형 해석을 수행하였다.
판재의 최소 요소 크기는 2mm이며 45046개의 요소로 구성하였다.

이론/모형

본 연구를 위해 판재성형 전용 외연적 상용프로그램인 PAM-STAMP^TM와 차량 충돌시 운전자를 보호하는 에어백의 전개(Deployment)를 위한 충돌 안전도해석 전용 외연적 상용프로그램인 PAMSAFETM를 사용하였다. 판재성형시 공기 거동을 고려한 연계해석(Coupling analysis)은 성형성, 성형력, 외관 품질 평가 및 에어벤트홀의 위치 및 크기, 갯수 등의 선정에 유용한 정보를 제공 할 수 있다.

성능/효과

(1) 금형내의 공기거동을 고려한 판재성형해석은 공기의 압축에 따라 판재 유입형상, 주름 및 펀치 접촉 힘 등에 영향을 미치므로, 성형성 평가 측면에서 새로운 방법으로 접근 할 수 있다.
(2) 체적탄성계수를 이용한 공기 거동 모델링은 압력변화가 체적변화에 비례하여 선형적으로 증가하므로 판재성형시의 공기 거동 표현으로는 적합하지 않다. 실제 압력은 체적변화에 비례하여 비선형적으로 증가한다.
(3) 이상기체방정식을 이용한 공기거동 모델링은 공기도메인내의 압력이 균일하므로 에어벤트 홀의 크기 및 개수를 고려할 수는 있지만, 위치에 따른 영향은 분석하지 못하는 단점이 있다.
이것은 공기 압축에 의한 압력 저항이 판재와 블랭크 홀더면에서는 두께 방향으로의 가압 효과로 마찰력이 증가하여 판재 유입에 영향을 주었다. 결과적으로 공기 거동을 고려한 성형해석의 플랜지면에서의 판재는 유입이 상대적으로 적어지고 두께가 두꺼워지는 것을 제어하였다. 이것은 실제 블랭크홀딩힘(Blank Holding Force)이 커지면 플랜지면의 두께가 두꺼워지는것은 방지하고 유입을 적게하는 것과 일맥상통한다.
반면 공기 저항에 의한 압력표현을 위한 체적탄성계수를 사용하였을 때는 48ton이 발생하였다. 공기와 같이 압축 성이 심한 기체의 경우는 압축정도에 따라 공기압력이 비선형적으로 증가하지만, 체적탄성계수 사용시의 압력변화는 체적탄성계수와 체적변화율과의 선형관계로 실제보다 작은 압력변화가 발생되었다. 에어벤트홀을 고려하지 않은 이상기체방정식을 적용한 성형해석의 경우는 공기의 압축과 온도상승에 의한 압력증가로 펀치와의 접촉력이 최대 310ton이 발생하였다.

후속연구

(4) FPM은 실제 공기 유동 방정식으로 구성되어 있으므로 에어벤트홀의 크기, 개수와 위치에 대한 수치적 검증 평가가 가능하다. 반면에 다른 공기 모델링 기법에 비하여 해석 시간이 많이 걸린다는 단점이 있다.
본 연구는 간이 금형에 대한 공기거동모델의 적용 및 평가이었으므로, 향후 실 판넬의 판재성형시 공기거동이 판재성형에 미치는 영향의 평가 및 비교와 FPM 사용시 해석시간 단축을 위한 수치적 변수 연구(Parametric Study)가 요구된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	체적탄성계수란 무엇인가?	체적탄성계수(Bulk modulus)은 어떤 물체에 등방성(Isotropic) 압축력이 가해졌을 때, 압축되지 않으려고 저항하는 정도를 나타내는 값이며 부피탄성율이라고도 한다. Fig.
	판재 성형 해석시 다이 캐비티 내의 공기의 체적 감소로 압력이 발생하여 변형을 유발할 수 있음에도 이를 고려한 해석기술이 전무한 이유는?	이와 같이 지난 20년간 유한요소법을 이용한 판재 성형해석은 괄목할만한 성과를 내고 있으나, 판재 성형 해석시 다이 캐비티(Die Cavity)내의 공기는 체적 감소로 압력이 발생되어, 프레스 성형압 상승 및 취출시 압축된 공기의 반력에 인한 변형을 유발할 수 있음에도 이를 고려한 해석기술은 전무한 실정이다. 이것은 판재성형시 판재의 기계적 거동과 공기의 유체적 거동을 동시에 고려한 해석을 진행하기가 어렵기 때문이다. 이에 정성윤[6]등은 판재성형 해석시 판재의 변형과 금형 캐비티와의 체적을 계산하여 작업자가 에어벤트홀(Air Vent Hole)의 크기 및 개수를 판단할 수 있는 프로그램을 개발하였고, 황세준[7]은 체적변화에 따른 여러 조건에서의 에어 포켓(Air Pocket) 내부 압력변화 및 유출계수를 계산하였다.
	유한요소법은 시간적분법에 따라 어떻게 구분되는가?	유한요소법은 시간적분법에 따라 내연적(Implicit) 방법과 외연적(Explicit) 방법으로 구분된다. 실제 산업모델과 같이 수십만~수백만 요소로 구성된 판재성형은 내연적방법으로는 해를 구하기가 어렵고, 외연적방법을 사용한다.

참고문헌 (22)

H. J. Kim, B. H. Jeon, H. Y. Km, J. J. Kim, 1993, Finite element analysis liquid bulge forming process of T-shaped pipe by an explicit code, Advanced Technology of Plasticity, pp.545-550.
H. Y. Kim, Y. S. Shin, K. H. Kim, Won Seok Cho, 1998, Stamping Analysis and Die Design of laser Welded Automotive Body, Trans. Mater. Process., Vol. 7, No. 4, pp. 382-392.
H. Y. Kim, H.T. Lim, H.J. Kim, W.H. Lee and C. D. Park, 2004, 3-Dimensional Finite Element Analysis of Hemming for Automotive outer Panels by Part Model Assembling Method, Trans. Mater. Process., Vol. 13, No. 2, pp. 115-121.

원문보기 상세보기
T. Belytschko, J. I. Lin, C. S. Tsay, 1984, Explicit algorithms for the nonlinear dynamics of shells, Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, Vol. 42, Issue 2, pp. 225-251.

상세보기
D. Y. Lee, B. S. Choi, J. H. Hwang, I. K. Baek, K. Y. Choi, 2009, Springback Control of an Automotive Surround Molding part Using Automatic Die Compensation Module, Trans. Mater. Process., Vol. 18, No. 3, pp. 210-216.

원문보기 상세보기
S. Y. Jung, S. J. Hwang, W. G. Park, C. Kim, 2008, Development of an Automated System for Predicting Shape and Volume of Air Pocket on the Draw Die, J. Kor. Soc. Prec. Eng., Vol. 25, No. 1, pp. 72-78.
S. J. Hwang, W. G. Park, C. Kim, S. W. Oh, N. Y. Cho, 2006, Flow Analysis of the Air Pocket in draw Die, Proc. Natl. Cong. Fluids Eng., pp. 345-348.
H. Y. Kim, H.T. Lim, 2003, Die Design for Tube Hydroforming Process Considering Preforming Effect, Trans. Mater. Process., Vol. 12, No. 5, pp. 433-439.

원문보기 상세보기
H. Y. Kim, H.T. Lim, S. H. Hwang, K. D. Lee, W.S. Lee and D.Y. Kim, 2007, Hot Air Forming Analysis of Aluminum Tube, Proc. Kor. Soc. Tech. Plast. Conf., pp. 116-119.
H. Y. Kim, S. K. Lee, Y. J. Shin, 1996, Finite element Modeling of Folded Airbag and Analysis of Deployment Process, J. Kor. Soc. Auto. Eng., Vol. 4, No. 6, pp. 236-246.
E. Onate, S. Idelsohn, O. C. Zienkiewics, R. L. Tayler, 1996, A Finite Point Method in Computational Mechanics, Int. J. Num. Met. Eng., Vol. 39, pp. 3839-3866.

상세보기
E. Onate, S. Idelsohn, 1998, A mesh-free finite point method for advective-diffusive transport and fluid flow problems, Comp. Mec., 21, pp.283-292.

상세보기
E. Onate, S. Idelsohn, 2001, A finite point method for elasticity problems, Comp. Struc., 79, pp. 2151-2163.

상세보기
M. Alizadeh, S. A. J. Jahromi, 2008, Using Finite Point Method for the Numerical Simulation of Heat Transfer Coupled with Microsegregation during Continuous Casting, Int. J. ISSI, Vol. 5 No. 2, pp. 1-7.
J. Kuhnert, 1999, General Smoothed Particle Hydrodynamics, PhD thesis, Univ. Kaiserslautern, Kaiserslautern.
J. Kuhnert, An Upwind Finite Pointset Method (FPM) for Compressible Euler and Navier-Strokes, ITWM.
A. Trameconto, 2003, Finite Point Method : A Mesh-Free Approach to model Airbag Inflation model , ICD Conference.
E. Gai, H. Zhang, 2005, Finite point method: a new approach to model the inflation of side curtain airbags, Int. J. Crash., Vol. 10, pp. 445-450.

상세보기
H. Zhang, S. Raman, M. Gopal, T. Y. Han, 2004 Evaluation and Comparison of CFD Integrated Airbag Models in LS-DYNA, MADMO and PAM-CRASH, SAE int., ISBN 0-7680-1319-4.
Introduction to Fluid Mechanics, Fox & McDonald
$PAM-STAMP^{TM} Manual
$PAM-SAFE^{TM} Manual

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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