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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 자동차 차체 재료로 사용 중인 냉간압연강 판재를 기계적 프레스 접합방법으로 접합한 후 인장-박리 시험편을 사용하여 피로강도를 평가하고자 한다. 또한 유한요소법 상용 프로그램인 ABAQUS를 이용하여 피로 시험편 형상에 관한 구조해석을 수행하였다.
- 본 연구에서는 자동차 차체에서 많이 적용하는 냉간압연강판 기계적 프레스 접합부의 피로 내구성 확보 차원에서 접합부의 피로 강도를 평가하기 위한 인장-박리 시험편을 제작하였다. 이를 이용하여 정적 인장 실험과 피로 실험 및 유한요소 해석을 하였으며 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
가설 설정
- 기계적 접합부의 경우 인장-박리 하중시 저항력이 낮아 피로실험을 실시할 경우 낮은 제어 하중으로 서보유압제어 만능 인장시험기의 제어에 어려움이 예상된다. 따라서 3개의 접합부로 된 시험편을 제작하였으며, 이때 3점의 접점에 의한 피로강도에서 상호작용은 없는 것으로 가정하였다. 제작된 시험편의 주요 부위의 치수는 Fig.
제안 방법
- 기계적 프레스 접합 시 최적의 펀치 작용 하중은 동일한 판재에 대하여 수행한 연구결과10)를 고려하여 20 kN의 접합하중을 적용하여 제작한 시험편으로 피로시험을 수행하였다. 기계적 접합부의 경우 인장-박리 하중시 저항력이 낮아 피로실험을 실시할 경우 낮은 제어 하중으로 서보유압제어 만능 인장시험기의 제어에 어려움이 예상된다.
- 기계적 프레스 접합부의 정적 강도 및 피로강도를 평가하기 위하여 서보유압제어 만능인장시험기(universal testing machine, Instron 8516, 10ton)를 사용하였다. 정적 인장실험은 변위 제어방식으로 2 mm/min의 속도로 수행하였다.
- 9) 본 연구에서 펀치 하중을 70 kN으로 제작한 시험편의 인장 박리 하중하에서의 접합강도(=1420 N)는 55 kN의 펀치하중으로 제작한 시험편과 접합 강도(1440 N)와 유사하였다. 따라서 최종적으로 인장전단, 인장-박리 하중 조건을 동시에 고려시 최적의 펀치하중을 70 kN으로 설정하여 피로 시험편을 제작하였다.
- 피로시험의 결과 균열이 초기에 발생하는 위치는 버튼의 목부위(NT)로 최대주응력의 위치가 일치하였다. 따라서 피로수명을 예측하기 위하여 매개변수로 최대주응력과 피로하중진폭과의 관계를 도출하였다. Fig.
- 87,297개의 절점과 81,554개의 요소로 구성하였다. 본 논문에 사용된 소성 영역의 물성치는 인장시험의 결과 획득한 하중-변위 선도(Fig. 5)10)를 이용하여 공칭응력 공칭 변형률 선도와 진응력-진변형률 선도를 사용하였다. 본 연구에서는 실제 실험에 적용한 하중의 최대 값에 해당하는 하중인 105.
- 5)10)를 이용하여 공칭응력 공칭 변형률 선도와 진응력-진변형률 선도를 사용하였다. 본 연구에서는 실제 실험에 적용한 하중의 최대 값에 해당하는 하중인 105.8 N-242.6 N이 시험편에 작용시의 구조해석을 수행하여 von Mises 및 최대 주응력 분포를 분석하였다.
- 본 연구에서는 인장-박리 시험편에 관하여 실제 실험에 적용한 하중의 응력진폭에 해당하는 하중인 105.8 N-242.6 N 범위에서 시험편에 작용하여 구조해석을 수행하여 von Mises 응력 및 최대주응력 분포를 분석하였다.
- 본 연구에서는 인장-박리 시험편에 관한 구조해석을 3D CAD 프로그램인 Pro-E로 도면을 작성한 후 유한요소 모델링을 하였다. 시험편에 관한 전처리 과정으로 HyperMesh를 이용하여 유한요소 모델링을 하였다.
- 본 연구에서는 자동차 차체에서 많이 적용하는 냉간압연강판 기계적 프레스 접합부의 피로 내구성 확보 차원에서 접합부의 피로 강도를 평가하기 위한 인장-박리 시험편을 제작하였다. 이를 이용하여 정적 인장 실험과 피로 실험 및 유한요소 해석을 하였으며 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
- 인장-박리 시험편에 대하여 최적의 접합 하중을 결정하기 위하여 접합하중을 35-70 kN까지 가하여 제작한 시험편에 대하여 정적 인장-박리시험을 실시하였다. Fig 6은 인장 저항력을 평가한 결과의 예를 작용하중 변위 선도로 나타낸 그래프이다.
- 해석 프로그램으로는 ABAQUS/ Standard3D (Implicit)를 사용하였고, 요소형태는 오면체 요소인 C3D6와 육면체 요소인 C3D8을 사용하였다. 접촉면은 상하관재의 접촉부인 목부분과 꼬리(tail) 부분까지 전 영역에 걸쳐 설정하였다. 접촉마찰계수 값은 0.
- 접합 하중 70 kN으로 제작된 인장-박리 피로시험편에 대하여 응력비 R = 0.1로 피로시험을 수행하였다. Table 4는 피로실험 결과를 정리한 표이다.
- 기계적 프레스 접합부의 정적 강도 및 피로강도를 평가하기 위하여 서보유압제어 만능인장시험기(universal testing machine, Instron 8516, 10ton)를 사용하였다. 정적 인장실험은 변위 제어방식으로 2 mm/min의 속도로 수행하였다. 피로시험은 응력비(R = Pmin/Pmax)가 0.
- 정적 인장실험은 변위 제어방식으로 2 mm/min의 속도로 수행하였다. 피로시험은 응력비(R = Pmin/Pmax)가 0.1인 주파수 5 Hz의 정현파형의 반복 하중을 일정하게 가하여 수행하였다. 시험편이 완전히 파단될 때까지 피로 반복횟수를 피로수명으로 결정하였다.
대상 데이터
- 2를 적용하였다. 87,297개의 절점과 81,554개의 요소로 구성하였다. 본 논문에 사용된 소성 영역의 물성치는 인장시험의 결과 획득한 하중-변위 선도(Fig.
- 본 연구에서 기계적 프레스 접합법으로 시험편을 제작하였다. 사용한 재료는 냉간압연강판의 일종인 SPCC강으로 화학적 성분과 기계적 물성치는 각각 Table 1과 Table 2와 같다. 기계적 프레스 접합부에 관한 인장 박리 시험편을 Fig 1과 같이 피로시험편을 제작하였다.
- 2와 같은 서보유압제어 만능인장시험기(universal testing machine, Instron 8516, 10ton)를 사용하였다. 시험편 제작에 사용된 펀치는 직경 5.4 mm의 라운드 형 펀치와 직경이 8.3 mm인 다이를 사용하였다.
- 기계적 프레스 접합부에 관한 인장 박리 시험편을 Fig 1과 같이 피로시험편을 제작하였다. 시험편 형상은 치수는 W = 30 mm, L = 16 mm, D = 9 mm, t1 = t2 = 0.8 mm, T형 시험편의 전체 길이는 160 mm, 높이는 30 mm 로 하였다. 접합부가 1개일 경우 피로하중범위가 Fig.
데이터처리
- 따라서 본 연구에서는 자동차 차체 재료로 사용 중인 냉간압연강 판재를 기계적 프레스 접합방법으로 접합한 후 인장-박리 시험편을 사용하여 피로강도를 평가하고자 한다. 또한 유한요소법 상용 프로그램인 ABAQUS를 이용하여 피로 시험편 형상에 관한 구조해석을 수행하였다.
이론/모형
- 본 연구에서 기계적 프레스 접합법으로 시험편을 제작하였다. 사용한 재료는 냉간압연강판의 일종인 SPCC강으로 화학적 성분과 기계적 물성치는 각각 Table 1과 Table 2와 같다.
- 본 연구에서 시험편 제작을 위하여 독일 TOX®사9)의 버튼 형상의 라운드 크린치(round clinch) 기계적 프레스 접합 방법을 선택하였다.
- 본 연구에서는 인장-박리 시험편에 관한 구조해석을 3D CAD 프로그램인 Pro-E로 도면을 작성한 후 유한요소 모델링을 하였다. 시험편에 관한 전처리 과정으로 HyperMesh를 이용하여 유한요소 모델링을 하였다. 해석 프로그램으로는 ABAQUS/ Standard3D (Implicit)를 사용하였고, 요소형태는 오면체 요소인 C3D6와 육면체 요소인 C3D8을 사용하였다.
- 시험편에 관한 전처리 과정으로 HyperMesh를 이용하여 유한요소 모델링을 하였다. 해석 프로그램으로는 ABAQUS/ Standard3D (Implicit)를 사용하였고, 요소형태는 오면체 요소인 C3D6와 육면체 요소인 C3D8을 사용하였다. 접촉면은 상하관재의 접촉부인 목부분과 꼬리(tail) 부분까지 전 영역에 걸쳐 설정하였다.
성능/효과
- 1) 두께 0.8 mm의 SPCC 판재로 기계적 접합 시 인장강도 측면에서 펀치 하중이 증가하면서 박리-인장 저항력이 증가하여 펀치하중이 55 kN에서 1440 N으로 최대값을 나타냈다.
- 2) 하중진폭과 반복수 (N)와의 관계는 Pamp = 1522.1×# 로 피로한도하중은 105 사이클 기준으로 112.4 N이므로 최대접합하중(-1440 N)에 대한 피로한도 하중비는 약 8%로 나타났다.
- 3) 구조해석 결과 최대주응력(이)과 작용하중의 관계선도는 σ1 = 175.6 + 0.369P로 106 사이클 기준으로 냉간압연강판 기계적 접합부의 인장-박리 하중에서의 피로한도에 해당하는 응력진폭은 217.1 MPa로 나타났다.
- 4) 피로시험 결과 기계적 접합부는 관통파괴 형태가 나타났고, 정적시험에서는 주로 분리파괴 형태가 나타났다.
- 동일한 판재를 사용한 순수 기계적 프레스 접합 시 인장-전단 하중 실험에서는 최적의 펀치 작용 하중이 70 kN으로 나타났다.9) 본 연구에서 펀치 하중을 70 kN으로 제작한 시험편의 인장 박리 하중하에서의 접합강도(=1420 N)는 55 kN의 펀치하중으로 제작한 시험편과 접합 강도(1440 N)와 유사하였다. 따라서 최종적으로 인장전단, 인장-박리 하중 조건을 동시에 고려시 최적의 펀치하중을 70 kN으로 설정하여 피로 시험편을 제작하였다.
- 펀치하중 30-55 kN 구간에서는 펀치 하중이 증가하면서 최대 인장 저항력이 증가하나 그 후에는 펀치 하중이 증가하여도 접합강도는 큰 변화가 없는 것을 알 수 있다. 본 연구 결과 펀치하중이 55 kN 근처에서 최대 인장 저항력이 발생하였다. 동일한 판재를 사용한 순수 기계적 프레스 접합 시 인장-전단 하중 실험에서는 최적의 펀치 작용 하중이 70 kN으로 나타났다.
- 이와 같은 이유중 하나로 기계적 접합시에 소성변형으로 가공경화를 통하여 접합부의 진응력 파단 강도가 증가함으로 인하여 동시에 증가한 것으로 판단된다. 실제 본 SPCC 판재 시험편의 진응력 파단강도는 482 MPa로 계산되었다. 또한 추가적으로 압축잔류응력과 같은 추가적인 강화효과로 본 접합부의 피로강도가 증가되었다고 판단되며 이에 관한 세밀한 추가적인 분석이 필요하다.
- 1x#과 같다. 피로 한도 하중 106 사이클 기준으로 112.4 N이므로 최대 접합하중 1420 N)에 대한 피로한도 하중 비는 약 8%로 나타났다. 접합부 1점에 대하여 피로한도 하중은 37.
- 피로시험의 결과 균열이 초기에 발생하는 위치는 버튼의 목부위(NT)로 최대주응력의 위치가 일치하였다. 따라서 피로수명을 예측하기 위하여 매개변수로 최대주응력과 피로하중진폭과의 관계를 도출하였다.
후속연구
- 실제 본 SPCC 판재 시험편의 진응력 파단강도는 482 MPa로 계산되었다. 또한 추가적으로 압축잔류응력과 같은 추가적인 강화효과로 본 접합부의 피로강도가 증가되었다고 판단되며 이에 관한 세밀한 추가적인 분석이 필요하다.
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