[논문]용접 순서의 변화에 따른 자동차용 Frame의 변형과 잔류 응력 분석

박태원; 김기주; 원시태; 한창평

doi:10.7467/ksae.2013.21.3.050

용접 순서의 변화에 따른 자동차용 Frame의 변형과 잔류 응력 분석
Deformation and Residual Stress Analysis of Automotive Frame Following as Welding Sequency Variation 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.21 no.3, 2013년, pp.50 - 57

박태원 (쌍용자동차 선행해석팀) , 김기주 (서정대학교 자동차과) , 원시태 (서울과학기술대학교 기계시스템디자인공학과) , 한창평 (상지영서대학교 자동차과)

Abstract ▼ AI-Helper

The high temperature thermal attacks in welding can affect the residual stress of a frame for automotive assembly accompanying frame deformation. Also the residual stress can induce the negative effect on durability performance of the automobile. In order to analyze the frame deformation, the simplified test frame which had the similar shape (form) of the real automotive frame was fabricated. The contactless optical 3D scanner was used for the shape difference measurement of the frame between before and after the welding. The FE-model of the test frame was composed and the deformation and residual stress simulation were performed. The simulated results were compared with the measured results for the reference of the frame design following as the variation of welding sequency. The deformation shape of the frame by simulation was in good agreement with that by the experimental measurement. In addition, the optimized welding sequency with reduced deformation after welding could be achieved through these analyses.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

그러므로, 본 연구에서는 프레임에 있어서 용접에 의한 변형과 잔류응력에 대하여 실험과 해석을¹⁾ 통해 고찰해보고자 한다. 또한, 검증된 해석결과를 이용하여 용접순서에 따른 프레임의 변형과 잔류 응력을 분석하여 최적의 (변형이 작은) 프레임 용접 순서를 도출하고자 한다.
통해 고찰해보고자 한다. 또한, 검증된 해석결과를 이용하여 용접순서에 따른 프레임의 변형과 잔류 응력을 분석하여 최적의 (변형이 작은) 프레임 용접 순서를 도출하고자 한다.
최대응력이 발생하는 위치는 용접 시작점 근처이며 이는 차량의 횡방향 하중으로 응력이 높게 나타나는 부위이니 차량 내구성 측면에서 주의 깊게 설계할 부위이다. 용접순서에 따른 프레임의 변형 차이에 관한 연구를 통하여 용접순서에 따른 프레임의 변형을 감소시킬 수 있는 방안을 연구하였다. 변형이 줄어들면 잔류응력이 증가하는 것을 알 수 있었으며 이러한 분석을 통하여 용접 후 변형량을 줄일 수 있는 용접순서를 결정할 수 있었다.

제안 방법

끝단의경우 측정치가 부정확한 경향이 있어 끝단에서 10 mm안쪽 부위 X축에 수직인 단면의 중심을 측정을 위한 기준점으로 하였다. Fig. 1에 나타낸 바와 같이 횡방향 파이프의 좌측 상, 하 거리 LV(Left vertical) 의 거리변화와 횡방향 파이프의 우측 상, 하 거리의 RV(Right vertical)의 거리변화를 측정하였다. 또한, 주변부품이 프레임에 마운팅되는 주요부위인 횡방향 파이프 상 하 중간부위 거리 CV(Center vertical)의 거리변화와 종방향 파이프 좌, 우 중간부위 거리 CH(Center horizontal)의 거리변화를 측정하였다.
Fig. 3에 나타낸 본 용접(가접과 대별되는)한 프레임을 24시간이 지난 후 3차원 비접촉식 광학 스캐너로 측정하였다. 본 용접 시 각 부위 용접 속도는 10.
10과같다. 가접 부위 중 LH 상단인 LHU와 하단인 LHD의 von-Mises stress를 평균한 응력 Avg_LH와 RH 상단인 RHU와 하단인 RHD의 von-Mises stress를 평균한 응력 Avg_RH의 값을 변형 값인 LV, RV와 비교하였다.
4mm/s이었다. 가접상태의 초기 프레임의 형상 데이터와 본 용접 후 프레임의 형상 데이터를 비교하였다.
개발차종의 프레임은 형상이 매우 복잡하기 때문에 본 연구에서는 보다 단순화시킨 프레임을 제작하여 용접 전, 후 용접 변형에 관한 치수변화 측정실험을 실시하였으며, Fig. 1에 그 형상을 나타내었다.
프레임을 차량의 차체에 조립할 때 마운팅부는상 하횡방향파이프의 좌, 우 끝단 4점이다. 끝단의경우 측정치가 부정확한 경향이 있어 끝단에서 10 mm안쪽 부위 X축에 수직인 단면의 중심을 측정을 위한 기준점으로 하였다. Fig.
그러므로 현장적용을 원할히 하여 해석 결과는 정확치 않더라도 빠른 경향 판단을 위하여 Analysis data와 같이 변경할 경우 시간에 따라 약 10%의 온도차이를 나타내며 해석 시간은 약 1/3로 줄어든다. 따라서 Analysis data와 같이 Cp값을 단순화하여 해석을 수행하였다.
LHU, LHD 응력은 LH의 변위와 직접적인 관계가 있는 부분의 응력이며, RHD, RHU 응력은 RH의 변위와 직접적인 관계가 있는 부분의 응력이다. 따라서 용접시 Frame의 변형과 응력의 관계를 비교하기 위하여 LHU와 LHD의 von-Mises stress를 평균한 Avg_LH와 변위LV의 관계를 비교하고 RHU와 RHD의 von-Mises stress 평균한 Avg_RH를 변위 RV를 비교하기 위하여 Avg_LH와 Avg_RH를 Table 7과 같이 구하였다.
1에 나타낸 바와 같이 횡방향 파이프의 좌측 상, 하 거리 LV(Left vertical) 의 거리변화와 횡방향 파이프의 우측 상, 하 거리의 RV(Right vertical)의 거리변화를 측정하였다. 또한, 주변부품이 프레임에 마운팅되는 주요부위인 횡방향 파이프 상 하 중간부위 거리 CV(Center vertical)의 거리변화와 종방향 파이프 좌, 우 중간부위 거리 CH(Center horizontal)의 거리변화를 측정하였다. 측정결과 Table 2와 같이 나타났으며, 프레임이 전체적으로 수축되었음을 알 수 있다.
모든 경우에 수에 따라 해석을 할 경우 많은 시간이 소요되므로 현장에서 관심이 있는 용접순서에 따른Case에 대하여 해석을 수행하였다. 수행한해석 Case는 Top6_B1_2, Top6_B2_1, Top6_B3_2, Top6_ B4_1, Top6_B4_4, Top6_B4_5이다.
실제의 차량 프레임을 단순화시켜 파이프를 용접실험 하였으며 용접 후의 변형량을 실험으로 구하였다. 용접 시 프레임에 발생하는 변형 양의 정도와 변형 양상을 실험과 해석을 통하여 검증하였다.
실제의 차량 프레임을 단순화시켜 파이프를 용접실험 하였으며 용접 후의 변형량을 실험으로 구하였다. 용접 시 프레임에 발생하는 변형 양의 정도와 변형 양상을 실험과 해석을 통하여 검증하였다. 실험결과는 용접 후 변형률이-0.
용접 해석은 상용 소프트웨어인 Abaqus를 이용하여 용접 시 발생하는 프레임의 변형과 잔류응력을 분석하였다. Element(요소) 종류는 프레임의 두께를감안하여Shell Element가아닌Solid Element를 사용하였으며 크기는 Fig.
5 mm/sec로하였다. 용접을 하고 24시간이 지난 후 프레임의 변화를관찰하였다. 초기 프레임과 용접 후 프레임의 변형 차이를 측정하기 위하여 Accretech사의 3차원 비접촉식 광학 측정기(Optigo200)를 이용하였으며, 이 시스템의 측정 오차는 평균 0.
용접을 하고 24시간이 지난 후 프레임의 변화를관찰하였다. 초기 프레임과 용접 후 프레임의 변형 차이를 측정하기 위하여 Accretech사의 3차원 비접촉식 광학 측정기(Optigo200)를 이용하였으며, 이 시스템의 측정 오차는 평균 0.1mm 이내이다.

대상 데이터

용접 해석은 상용 소프트웨어인 Abaqus를 이용하여 용접 시 발생하는 프레임의 변형과 잔류응력을 분석하였다. Element(요소) 종류는 프레임의 두께를감안하여Shell Element가아닌Solid Element를 사용하였으며 크기는 Fig. 4와 같이 1mm 이하의 Element를 사용하였다. 열에 의한 영향이 적은 부분은 요소의 크기를 크게 구성하여 모델의 Node(절점)는 74,428개, Element는 54,112개로 구성하였다.
모든 경우에 수에 따라 해석을 할 경우 많은 시간이 소요되므로 현장에서 관심이 있는 용접순서에 따른Case에 대하여 해석을 수행하였다. 수행한해석 Case는 Top6_B1_2, Top6_B2_1, Top6_B3_2, Top6_ B4_1, Top6_B4_4, Top6_B4_5이다. 해석결과 주요 부위인 LV, RV, CV, CH의 변형양은 Table 5와 같다.
4와 같이 1mm 이하의 Element를 사용하였다. 열에 의한 영향이 적은 부분은 요소의 크기를 크게 구성하여 모델의 Node(절점)는 74,428개, Element는 54,112개로 구성하였다.
프레임구성 파이프는 Table 1의 기계적 특성을 갖는 SAPH440 소재를 사용하였으며 지름×두께×길이 Ф76.6×3.2t×1,000 mm 의 원형 파이프를 이용하여 개발 차종의 프레임과 유사한 형태의 단순화된 프레임을 제작하였다.

데이터처리

용접에 의한 프레임의 변형에 관하여 시험 결과와 검증한 FE-model(finite element)을 이용하여 용접 순서에 따른 프레임의 변형과 잔류응력 해석을 수행하였다. 용접순서에 따른 프레임 해석 Case 경우의 수는 Table 4와 같다.

성능/효과

11에비교가 용이하도록 나타내었다. LV, RV, Avg_LH, Avg_RH의 추세선을 보면 LV의 변형이 줄어들면 Avg_LH의 잔류응력이 증가하는 것을 볼 수 있으며 RV의 변형이 줄어들면 Avg_RH의 잔류응력이 증가하는 것을 알 수 있다.
초기엔 열전달에 의하여 열의 확산이 주로 일어나고 시간이 흐름에 따라 열이 분포하는 체적과 면적이 넓어진다. 또한 열의 확산에 따른 열이 분포하는 체적과 면적이 증가함에 따라 대기와 상온 이상의 열의 입출입이 일어다는 면적이 넓어짐으로 대류 열전달 효과가 두드러지게 나타나 전체적으로 온도가 낮아지는 것을 알 수 있다.
용접순서에 따른 프레임의 변형 차이에 관한 연구를 통하여 용접순서에 따른 프레임의 변형을 감소시킬 수 있는 방안을 연구하였다. 변형이 줄어들면 잔류응력이 증가하는 것을 알 수 있었으며 이러한 분석을 통하여 용접 후 변형량을 줄일 수 있는 용접순서를 결정할 수 있었다.
용접 시 프레임에 발생하는 변형 양의 정도와 변형 양상을 실험과 해석을 통하여 검증하였다. 실험결과는 용접 후 변형률이-0.11 ~ -0.81%로나타났으며 주로 파이프 양 끝단에서 더 높은 변형률을 나타냈다. 해석결과는 용접 후 변형률이 -0.
81%로나타났으며 주로 파이프 양 끝단에서 더 높은 변형률을 나타냈다. 해석결과는 용접 후 변형률이 -0.07 ~-0.72%로 변화함을 알 수 있었으며 역시 파이프 양끝단에서 용접 후 더 높은 변형률을 나타내었다. 최대응력이 발생하는 위치는 용접 시작점 근처이며 이는 차량의 횡방향 하중으로 응력이 높게 나타나는 부위이니 차량 내구성 측면에서 주의 깊게 설계할 부위이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	용접에 의한 접합의 단점은?	용접에 의한 접합은 장점도 있으나 용접에 의해 발생하는높은열에의하여프레임(frame)이변형되고 높은 잔류응력이 발생하는 단점도 있다. 용접시 발생하는 열에 의한 프레임의 변형은 조립공차를 넘어서는형태의프레임으로변형하여종종차체와의조립에문제를 발생시킨다.
	프레임의 변형은 무엇에 의하여 발생하는가?	용접에 의한 접합은 장점도 있으나 용접에 의해 발생하는높은열에의하여프레임(frame)이변형되고 높은 잔류응력이 발생하는 단점도 있다. 용접시 발생하는 열에 의한 프레임의 변형은 조립공차를 넘어서는형태의프레임으로변형하여종종차체와의조립에문제를 발생시킨다. 또한, 이때발생하는 잔류응력은 차량의 내구성능을 저하시켜 안전성에 부정적인 영향을 미치기도 한다.
	용접 시 프레임에 발생하는 변형 양의 정도와 변형 양상을 해석을 통하여 검증한 결과는 어떠한가?	81%로나타났으며 주로 파이프 양 끝단에서 더 높은 변형률을 나타냈다. 해석결과는 용접 후 변형률이 -0.07 ~-0.72%로 변화함을 알 수 있었으며 역시 파이프 양끝단에서 용접 후 더 높은 변형률을 나타내었다. 최대응력이 발생하는 위치는 용접 시작점 근처이며 이는 차량의 횡방향 하중으로 응력이 높게 나타나는 부위이니 차량 내구성 측면에서 주의 깊게 설계할 부위이다. 용접 순서에 따른 프레임의 변형 차이에 관한 연구를 통하여 용접순서에 따른 프레임의 변형을 감소시킬 수 있는 방안을 연구하였다.

참고문헌 (6)

K. H. Chang, J. H. Lee and Y. E. Shin, "A Study on the High Temperature Tensile Property and the Characteristics of Residual Stress in Welds of High Strength Steels," Proceedings of Korea Welding Society, Vol.22, No.4, pp.346-354, 2004.
Y. Cho, "A Study of Predicting Method of Residual Stress Using Artificial Neural Network in $CO_2$ Arc Welding," Korea Welding Society, Vol.1, No.2, pp.53-59, 2001.
S. R. Rajesh, "The Effect of Welding Residual Stress on Whole Structure with T-joint RHS," Korea Welding Society, Vol.5, No.1, pp.62-70, 2005.
H. S. Bang, "The Weldability and Mechanical Behavior of Medium Carbon Steel in CW Nd:YANG Laser Welding," Korea Welding Society, Vol.2, No.1, pp.18-25, 2002.
J. S. Kim, "Finite Element Analysis and Development of Interim Consolidated S-N Curve for Fatigue Design of Welded Structure," Proceedings of KSME, Vol.27, No.5, pp.724-733, 2003.

원문보기 상세보기
T. W. Park, K. J. Kim, C. P. Han, Y. S. Lee and J. H. Lim, "Deformation and Residual Stress of Automotive Frame by Welding," Transactions of KSAE, Vol.19, No.5, pp.113-117, 2011.

저자의 다른 논문 :

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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