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- 2은 4개의 쇼트볼 충돌을 1주기로 하고, 4주기의 충돌하는 경우를 보여 준다. 여기서 쇼트볼은 수직으로 충돌하며, 동일한 위치에서 연속적으로 충돌한다고 가정한다. 본 연구자는 김태우 (13) 등이 선행연구에서 사용된 해석모델 중 하나인 1주기 당 4회 충돌모델을 선정하였다.
제안 방법
- 5×105이고, n은 6이다.(15) 본 연구자는 이 관계식으로 변형률 속도 민감도에 따른 압축잔류응력의 분포를 계산하였다. 변형률 속도가 103(1/s)에서 변형률 속도 민감도가 높은 소재의 항복강도비는 최대 1.
- 이는 XRD 실험법에 의한 계산 방법으로, XRD 실험 법에 의한 압축잔류응력은 면적단위로 측정한다. 따라서 이 방법과 동일하게 유한요소해석 시 쇼트 볼이 충돌하는 소재의 면적에 존재하는 전체 노드 (node) 점들의 응력 평균값을 구하여 압축잔류응력값을 나타내었다.
- 쇼트피닝은 고속의 쇼트볼이 소재에 순간적으로 충돌하므로 변형률 속도 민감도는 반드시 고려되어야 하고 소재의 경도 변화도 중요하다. 따라서본 연구자는 변형률 속도 민감도를 변화에 따른 압축잔류응력을 유한요소해석을 이용하여 계산하였다. 또한 소재의 경도 변화에 따른 압축잔류응력 분포를 해석하기 위해 소재의 경도를 변경하였다.
- 5를 보면 충돌 주기가 증가에 따라 압축잔류응력이 증가하지만 24-cycle이후에는 압축잔류응력이 수렴함을 알 수 있다. 따라서본 연구자는 해석 모델의 충돌 주기를 24-cycle로 결정하였고 24-cycle에서의 변형률 속도 민감도 변화에 따른 압축잔류응력 분포를 해석하였다.
- 결과적으로 그들은 소성쇼트볼을 사용한 모델이 실험값에 가장 가깝다는 결론을 내렸다. 따라서본 연구자는 해석에 3D 축 대칭모델과 소성 쇼트볼을 사용하였다.
- Bhuvaraghan(7)는 변형률 속도를 고려하여 단일 충돌과 다중충돌을 해석하였다. 또한 쇼트볼의 크기변화에 따른 압축잔류응력 분포를 해석하였다.
- 본 연구자는 유한요소법을 이용하여 다중 충돌 쇼트피닝을 해석하였다. 변형률 속도 민감도와 소재의 경도를 고려하여 주기 증가에 따른 압축잔류 응력을 분석하였다. 본 연구에서의 결론은 다음과 같다.
- 따라서 쇼트피닝의 해석에서 변형률 속도 민감도에 대한 항복강도의 의존성을 갖는다. 이에 본 연구자는 변형률 속도 민감도를 고려하여 유한요소해석을 수행하였다. 식 (3)은 변형률 속도와 항복강도의 관계식을 보여준다.
- 대칭-셀의 바닥면은 완전히 구속(Ux=Uy =Uz=0)되었고, 네 옆면은 각 대칭 축에 대해 대칭(symmetric) 처리(Ux=0, Uz=0) 되었다. 접촉 조건은 표면과 표면 접촉(Surface to Surface Contact)을 사용하여 쇼트 볼과 소재의 충돌을 모사하였다. 쇼트볼의 투사 속도는 김태형(12) 등이 선행연구에서 결정한 v=55 m/s 으로 결정하였다.
- 8 은 경도가 다른 두 가지 소재에 대해 사이클 증가에 따른 표면 압축잔류응력 변화를 보여준다. 투사 사이클은 4회씩 증가하여 24-cycle 까지 해석하였다. 경도가 높은 소재에 비해 낮은 소재의 표면압축잔류응력이 충돌 횟수 증가에 따라 더욱 급격하게 증가하는 것을 알 수 있다.
- Figure 5는 1-cycle당 4회 충돌하는 모델의 변형률 속도 민감도를 고려하여 해석을 수행한 경우의 압축잔류응력값을 나타낸다. 해석은 32-cycle의 충돌 후 더 이상의 충돌은 없었으며, 탄성파와 소성파가 사라질 때까지 시간이 지난 뒤 잔류응력을 계산하였다. Fig.
대상 데이터
- 또한 소재의 경도 변화에 따른 압축잔류응력 분포를 해석하기 위해 소재의 경도를 변경하였다. 본 연구에서는 ABAQUS 6.9-1 유한요소해석프로그램을 사용하였고, 사용된 소재는 항공산업에 많이 사용되는 AISI 4340 강종이다.
- 여기서 쇼트볼은 수직으로 충돌하며, 동일한 위치에서 연속적으로 충돌한다고 가정한다. 본 연구자는 김태우 (13) 등이 선행연구에서 사용된 해석모델 중 하나인 1주기 당 4회 충돌모델을 선정하였다. Fig.
- 쇼트볼도 3차원 8절점 감차적분요소로 유한요소 망을 구성하였다. 총 요소 수는 1,280 개이고, 최소 요소 크기는 0.012mm이다. 쇼트볼의 반지름은 R=0.
- 요소는 3차원 8절점 감차적분요소(C3D8R)이다. 총 요소 수는 16000 개이며, 최소 요소 크기는 0.02mm이다. 대칭-셀 한 변의 크기 S 는 0.
데이터처리
- 압축잔류응력은 면적평균으로 계산하였다(12). 이는 XRD 실험법에 의한 계산 방법으로, XRD 실험 법에 의한 압축잔류응력은 면적단위로 측정한다.
이론/모형
- 또한 Meguid(9) 등이 선행연 구에서 결정된 동적마찰계수 μ = 0.2, 재료 감쇠계수 ξ = 0.5를 대칭-셀 모델에 사용하였다.
- 양축 등가 응력해라 함은 쇼트볼이 수직으로 소재에 충돌할 때의 방향을 y축이라고 했을 때, x축과 z축의 응력값이 서로 같음을 의미한다. 본 연구자는 Meguid (9) 등이 제안한 3D 대칭-셀 모델을 사용하였다.
- 본 연구자는 유한요소법을 이용하여 다중 충돌 쇼트피닝을 해석하였다. 변형률 속도 민감도와 소재의 경도를 고려하여 주기 증가에 따른 압축잔류 응력을 분석하였다.
- AISI4340 소재는 쇼트피닝 공정에 많이 사용되고 있다. 소재의 해석물성은 Meguid (11) 등을 참고하 였다. 쇼트볼은 컷 와이어 라운드 쇼트볼을 모델로 선정하였다.
- 쇼트볼과 소재간의 충돌 해석은 외연적 시간 적분법(Explicit Integration)으로 해석되었다. 계산 시간은 쇼트볼이 4회 충돌 시 20분내로 소요된다.
성능/효과
- (1) 다중 충돌 해석 시, 변형률 속도 민감성을 고려한 경우 24주기 이후에 압축잔류응력은 수렴함을 보였다. 따라서 24주기 이후의 쇼트피닝은 압축잔류응력에 거의 영향을 미치지 않는다.
- (2) 변형률 속도 민감도가 높으면 압축잔류응력의 크기는 작아진다. 그 이유는 변형률 속도가 높아지면 상대적으로 항복응력이 증가하기 때문이다.
- (3) 경도가 낮은 소재의 표면압축잔류응력은 높은 소재보다 전반적으로 크게 나타났다. 최대 압축잔류응력도 동일한 경향을 보였다.
- 소재의 최대압축잔류응력은 경도에 상관없이 투사 사이클이 증가할수록 감소된다. 결과적으로 경도값이 큰 소재의 최대압축잔류응력이 작은 소재보다 계속 크게 나타났다. 따라서 경도가 작은 소재가 압축잔류응력이 더 크다는 것을 확인하였다.
- 이에 김태형(12) 등은 강구, 탄성 쇼트볼, 소성 쇼트볼 모델들을 고려한 해석모델을 제안하고, 다중충돌이 진전됨에 따른 효과를 살펴보았다. 결과적으로 그들은 소성쇼트볼을 사용한 모델이 실험값에 가장 가깝다는 결론을 내렸다. 따라서본 연구자는 해석에 3D 축 대칭모델과 소성 쇼트볼을 사용하였다.
- 그리고 경도 높은 소재보다 낮은 소재의 경우가 더 큰 영향을 미치는 것을 확인하였다. 결과적으로 투사 사이클이 증가할수록 최대 압축잔류응력은 감소하지만 수렴성이 더 좋아진다.
- 투사 사이클은 4회씩 증가하여 24-cycle 까지 해석하였다. 경도가 높은 소재에 비해 낮은 소재의 표면압축잔류응력이 충돌 횟수 증가에 따라 더욱 급격하게 증가하는 것을 알 수 있다. 1-cycle을 제외한 나머지 구간은 경도가 낮은 소재의 표면 압축잔류응력이 높은 소재보다 더 큰 경향을 보였다.
- 12mm 깊이)은 감소하는 것을 볼 수 있다. 그리고 경도 높은 소재보다 낮은 소재의 경우가 더 큰 영향을 미치는 것을 확인하였다. 결과적으로 투사 사이클이 증가할수록 최대 압축잔류응력은 감소하지만 수렴성이 더 좋아진다.
- 27 이다. 높은 변형률 속도 민감도를 가진 소재의 최대 압축 잔류응력은 낮은 민감도를 가진 소재보다 소재의 0.22mm 깊이에서 압축잔류응력 값이 55.82% 작아 지는 것을 알 수 있다. Fig.
- 결과적으로 경도값이 큰 소재의 최대압축잔류응력이 작은 소재보다 계속 크게 나타났다. 따라서 경도가 작은 소재가 압축잔류응력이 더 크다는 것을 확인하였다. 경도가 낮은 소재의 표면 압축잔류응력과 최대 압축잔류응력이 더 높게 나타난 이유는 항복강도가 낮기 때문이다.
- 7(a)는 소재 경도 370HB 인 경우의 잔류응력 분포 상태이며, (b)는 소재 경도 530HB 인 경우의 잔류응력 분포를 나타낸 것이다. 재료의 표면 압축잔류응력(0.0mm 깊이)은 투사 사이클이 증가할수록 증가하지만 최대 압축잔류응력(약 0.12mm 깊이)은 감소하는 것을 볼 수 있다. 그리고 경도 높은 소재보다 낮은 소재의 경우가 더 큰 영향을 미치는 것을 확인하였다.
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