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문제 정의
- 본 연구는 스폿 용접과 구조용 접착제를 적용한 접합의 특성을 고찰하여 B-pillar부에 대한 스폿 용접율 개선을 위한 실험을 수행하였고, 이를 B-pillar 충돌 FEM 해석 결과와 비교하여 검증하였다. 전단 인장 시험을 통해 접착제가 스폿용접보다 더 큰 파단하중을 보이지만, 수직 인장실험에서는 더 낮은 하중을 보여주었기 때문에 접착제와의 혼용 적용을 통하여 스폿 용점의 타점 수를 어느 정도 감소시킬 수 있다고 판단하였다.
- 본 연구에서는 구조용 접착제를 적용하여 B-pillar의 스폿용접 타점수의 감소율을 도출하기 위해 구조용 접착제와 스폿용접을 혼용 적용한 B-pillar의 충돌 실험을 수행하였고, 충돌 FEM 해석과 비교하여 검증하였다. 이를 위해 전단 인장 및 수직 인장 실험을 통해 스폿 용접과 접착제의 접합 및 파단 특성을 고찰하여 FEM 해석 모델을 개발하였고, 사각 폐 단면 충돌실험을 수행하여 사각 폐 단면 충돌 FEM 의 결과와 비교하였다.
제안 방법
- LS-Dyna를 이용하여 시편과 동일한 규격의 형상 설계를 하였고, mesh는 가로 8개, 세로 20개로 나누어 구성하였다. material property는 failure stress, strain rate effect, Young's modulus, thickness 등이 입력된다.
- 5(a)에서 스폿 용접이 시작되는 지점과 구조용 접착제가 도포되는 구간을 도시하였고, (b)에서는 충돌 실험 후 변위를 측정하는 실험 방법을 나타내었다. 기준이 되는 높이 290mm에서 충돌 변형 후의 높이를 측정하여 얼마만큼의 변형이 이루어졌는지 측정하였다. 이는 지그표면에서부터 남은 높이를 측정하고 기준 높이와의 차를 구하는 방법으로 실시하였다.
- 노드 셋에 들어가는 노드 순서는 가운데판에 있는 노드가 중간에 위치하게 했고, 이러한 과정을 통해 종속노드에 대한 에러 발생을 해결하였다. 또한, 각 노드의 정보를 읽어 노드간의 최소거리를 탐색하였고, 가장 근접한 노드끼리 묶어주는 알고리즘을 사용하였다. 즉, 가운데판의 노드를 중심으로 다른 두 판의 모든 노드와의 거리를 계산하여 최소 거리인 점을 선택하여 노드 셋을 구성하는 방법을 적용하였다.
- 기준이 되는 높이 290mm에서 충돌 변형 후의 높이를 측정하여 얼마만큼의 변형이 이루어졌는지 측정하였다. 이는 지그표면에서부터 남은 높이를 측정하고 기준 높이와의 차를 구하는 방법으로 실시하였다.
- 본 연구에서는 구조용 접착제를 적용하여 B-pillar의 스폿용접 타점수의 감소율을 도출하기 위해 구조용 접착제와 스폿용접을 혼용 적용한 B-pillar의 충돌 실험을 수행하였고, 충돌 FEM 해석과 비교하여 검증하였다. 이를 위해 전단 인장 및 수직 인장 실험을 통해 스폿 용접과 접착제의 접합 및 파단 특성을 고찰하여 FEM 해석 모델을 개발하였고, 사각 폐 단면 충돌실험을 수행하여 사각 폐 단면 충돌 FEM 의 결과와 비교하였다.
- 접착제는 도포 후 200℃에서 2시간 동안 가열하였다. 인장 시험 속도는 20mm/min 의 등속으로 실시하였고, 실험은 각 조건별로 5회 실시하였다.
- material property는 failure stress, strain rate effect, Young's modulus, thickness 등이 입력된다. 접착부에 관한 설정은 contrainted weld를 이용하여 각 node를 묶어주었으며, 하단부를 고정시키고, 반대쪽 끝을 20mm/min으로 인장하는 경계조건을 부여하여 LS Dyna solver로 해석을 수행하였다.
- Table 1은 접착제의 두께와 접착 폭에 따른 전단 인장 실험 조건이다. 접착제는 유동성이 있기 때문에 일정한 두께를 유지하기 위해 두께 0.1mm의 절연 테이프를 사용하여 두께를 조절하였다. 접착제는 도포 후 200℃에서 2시간 동안 가열하였다.
- 또한, 각 노드의 정보를 읽어 노드간의 최소거리를 탐색하였고, 가장 근접한 노드끼리 묶어주는 알고리즘을 사용하였다. 즉, 가운데판의 노드를 중심으로 다른 두 판의 모든 노드와의 거리를 계산하여 최소 거리인 점을 선택하여 노드 셋을 구성하는 방법을 적용하였다. Fig.
- 하단부에 로드셀이 부착되어 있고, 1m 높이에서 충돌 헤드가 사각 폐 단면 시편에 충격을 가하게 된다. 충돌 실험 결과의 측정은 기준 높이 280mm에서 충돌 후 남아있는 사각 폐단면의 높이를 측정하였다.
대상 데이터
- 사각 폐 단면의 충돌실험은 앞서 실험한 강종과 동일한 재료를 사용하였으며, 접착 두께는 0.2mm로 실험하였다. Table 3은 실험 조건이며, 각 조건별로 3회의 실험을 실시하였다.
- 충돌 테스터는 크로스 헤드 상판과 하판(각 70, 50kg), 추 (50 kg), 텁 (30kg)으로 구성되었으며, 하부에는 로드 셀이 삼각형 모양으로 3개 위치해 있다. B-Pillar 시험편은 스폿, 접착제, 그리고 스폿과 접착제를 혼용으로 적용하여 제작하였으며, 조건은 Table 4와 같다.
이론/모형
- 그리고 검은색으로 테두리 쳐진 부분이 플랜지이며 여기를 접착 요소로 엮어 주게 된다. 인장 FEM 때와는 달리 변형률 속도에 관련된 값이 들어가게 되는데 여기에서는 실험적으로 구하여진 변형률 속도에 의존하는 Stress- Strain커브를 입력하였다.
성능/효과
- 22는 스폿 용접을 단독으로 적용한 경우와 동일 강도를 가지는 혼용적용 용접 타점수를 나타낸 그래프이다. B-pillar의 충돌 FEM 해석을 통해 구조용 접착제를 적용할 경우 스폿 용접 율을 약 41% 감소시킬 수 있다는 결과를 얻었다.
- 스폿 용접 타수가 줄어들수록 변형 량은 많아지는 결과를 보여준다. 결과적으로 Fig. 13에서 보는 것 같이 스폿용접만을 단독으로 사용한 경우와 같은 강도를 가지는 접착제와 스폿 용접의 혼용 적용의 경우를 계산해 보면, 스폿 용접의 타점수를 약 56%까지 줄일 수 있다는 결론을 얻을 수 있다.
- 이를 바탕으로 스폿 용접과 구조용 접착제를 혼용 적용하여 B-pilar의 충돌 실험과 FEM해석을 수행하였고, 기존의 스폿 용접만을 적용한 경우의 강도와 동일한 강도를 가지는 구조용 접착제와 스폿 용접 적용의 조건을 도출할 수 있었다. 결과적으로 본 연구를 통해 이루어진 충돌 실험 결과와 충돌 FEM 해석 결과는 스폿 용접과 접착제의 사용에 있어서, 접착제 단독의 사용은 아직 충분한 강도를 나타내지 못함을 보여주고 있으며. 또한 스폿용접의 단일 적용과 동일한 강도를 확보하기 위한 구조용 접착제와 스폿용접의 혼용적용은 스폿용접 타점수를 상당부분 감소시킬 수 있음을 확인할 수 있었다.
- 결과적으로 본 연구를 통해 이루어진 충돌 실험 결과와 충돌 FEM 해석 결과는 스폿 용접과 접착제의 사용에 있어서, 접착제 단독의 사용은 아직 충분한 강도를 나타내지 못함을 보여주고 있으며. 또한 스폿용접의 단일 적용과 동일한 강도를 확보하기 위한 구조용 접착제와 스폿용접의 혼용적용은 스폿용접 타점수를 상당부분 감소시킬 수 있음을 확인할 수 있었다. 아울러 충돌 실험 결과와 FEM 충돌 해석 결과를 비교하여 그 유사성을 검증할 수 있었다.
- 이는 구조물의 형태와 하중 조건이 간단하기 때문에 나올 수 있는 결과라 판단된다. 스폿 용접과 동일한 하중을 갖는 혼용 적용 조건을 살펴보면, 실험에서는 Spot 용접 단독으로 하였을 경우 혼용 접착의 피치간격은 40과 60 사이에 위치하게 되어 스폿 용접 율을 약 63%정도 감소시킬 수 있는 것으로 판단되고, 해석 결과에서는 피치 간격이 20과 40 사이에 위치하며 스폿 용접 율을 약 33% 정도 감소시킬 수 있는 것으로 판단되었다.
- 5mm로 동일하게 실험한 결과 값이다. 스폿 용접에 비해서 접착제의 파단 하중이 크다는 것을 확인할 수 있겠으며, 혼용 적용 시에도 접착제의 특성으로 인해 파단하중이 크게 나타남을 확인할 수 있다.
- (a)에서는 일정 수준까지 하중이 상승한 후에 급격한 하강의 모습이 뚜렷하게 나타났으며, (b)는 앞서의 하중보다 작은 하중 값이 지속적으로 나타났다. 스폿 용접이 접착제보다 더 높은 하중에서 파단이 발생함을 알 수 있으며, 접착제의 적용은 박리 파단에 매우 취약함을 보여주고 있다. (c)는 (a)와 (b)를 중첩시켜놓은 모습을 보여주고 있으며, 낮은 하중에서 접착제의 파단이 발생한 후에 스폿 용접의 파단이 발생함을 알 수 있겠다.
- 또한 스폿용접의 단일 적용과 동일한 강도를 확보하기 위한 구조용 접착제와 스폿용접의 혼용적용은 스폿용접 타점수를 상당부분 감소시킬 수 있음을 확인할 수 있었다. 아울러 충돌 실험 결과와 FEM 충돌 해석 결과를 비교하여 그 유사성을 검증할 수 있었다.
- 전단 인장 시험을 통해 접착제가 스폿용접보다 더 큰 파단하중을 보이지만, 수직 인장실험에서는 더 낮은 하중을 보여주었기 때문에 접착제와의 혼용 적용을 통하여 스폿 용점의 타점 수를 어느 정도 감소시킬 수 있다고 판단하였다. 이를 바탕으로 스폿 용접과 구조용 접착제를 혼용 적용하여 B-pilar의 충돌 실험과 FEM해석을 수행하였고, 기존의 스폿 용접만을 적용한 경우의 강도와 동일한 강도를 가지는 구조용 접착제와 스폿 용접 적용의 조건을 도출할 수 있었다. 결과적으로 본 연구를 통해 이루어진 충돌 실험 결과와 충돌 FEM 해석 결과는 스폿 용접과 접착제의 사용에 있어서, 접착제 단독의 사용은 아직 충분한 강도를 나타내지 못함을 보여주고 있으며.
- 이와 같은 실험을 통해 접착제는 스폿 용접보다 전단 인장 하중은 크나, 수직 인장시험 시 박리 파단에 취약함을 알 수 있다. 그러므로 접착제의 적용을 통해 스폿 용접 타점수를 줄이면서 강도를 개선할 수 있을 것이라 판단하였다.
- Table 9는 실험 결과와 해석결과를 비교 하여 실험값 대비 정확도를 보여주고 있다. 전체적으로 FEM 해석 결과와 실험 결과가 매우 유사한 경향을 가지고 있음을 판단할 수 있다. Fig.
- 8은 접착 폭에 따른 파단 하중 값을 보여주고 있다. 접착 폭이 증가할수록 시편의 굽힘각이 감소하여 파단 하중이 증가함을 확인할 수 있다. 또한 Fig.
- 21은 B-Pillar의 충돌 실험을 통해 얻은 변형량과 FEM 충돌 해석을 통해 얻은 변형 량을 비교해 놓은 그래프이다. 해석결과에서도 실험값과 마찬가지로 접착제와 스폿용접의 혼용 사용 시 스폿 용접 율이 감소할수록 B-pillar의 변형 량이 증가하고 있음을 확인할 수 있다. Table 9는 실험 결과와 해석결과를 비교 하여 실험값 대비 정확도를 보여주고 있다.
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