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[국내논문] 유한요소해석과 다구찌 방법을 이용한 클린치 스터드의 설계 최적화
Optimization Design of the Clinch Stud using the Finite Element Analysis and the Taguchi Method 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.14 no.7, 2013년, pp.3135 - 3141  

변홍석 (울산과학대학교 기계공학부) ,  김강연 (울산과학대학교 기계공학부)

초록
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본 연구에서는 유한요소해석과 다구찌 방법을 통해 높은 토크 저항력과 결합력을 갖는 클린치 스터드를 설계할 때 이에 영향을 미치는 설계 변수들의 적합한 조건을 도출하였다. 목적함수로 최대성형하중과 소재의 충만율을 고려하였으며 설계변수로 홈 높이, 로브 직경, 로브 높이 그리고 홈 깊이를 선정하였고 이들 제어인자와 마찰을 잡음인자로 하여 직교배열표를 조합하고 실험횟수별 유한요소해석을 통해 성형하중과 충만율을 평가하였다. 그리고 다구찌 방법의 S/N비를 이용하여 시뮬레이션결과를 해석하였고, 이들 해석결과로부터 최적의 조합조건을 제안하였다. 충만율에 가장 큰 영향을 주는 인자는 로브 높이, 홈 높이, 로브 직경 그리고 홈 깊이 순 임을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

This study derives the optimal conditions for design parameters of clinch stud with high torque resistance and bonding force by using FE simulation and Taguchi method. Maximum forming load and filled rate of material are considered as objective functions. Height and depth of groove with diameter and...

Keyword

#Clinch Stud   #FE Simulation   #Filled Rate   #Forming Load   #Taguchi Method  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 금속의 성형공정해석에 많이 사용되는 유한요소해석과 설계 최적화에 적용되는 다구찌 방법을 적용하여 설계자의 직관적 설계를 탈피하여 클린치 스터드의 주요 설계 변수의 최적 값을 제시하고자 하였다. 목적함수로서 최대 성형하중과 스터드 홈에 재료의 충만율(filled rate)을 두고, 이에 영향을 미치는 설계변수를 선정하여 최적의 설계변수 값을 제안하고자 하였다.
  • 본 연구에서는 금속의 성형공정해석에 많이 사용되는 유한요소해석과 설계 최적화에 적용되는 다구찌 방법을 적용하여 설계자의 직관적 설계를 탈피하여 클린치 스터드의 주요 설계 변수의 최적 값을 제시하고자 하였다. 목적함수로서 최대 성형하중과 스터드 홈에 재료의 충만율(filled rate)을 두고, 이에 영향을 미치는 설계변수를 선정하여 최적의 설계변수 값을 제안하고자 하였다.
  • 제품에 응력을 미치는 정도와 제품 형상 변형 정도를 고려하여 파괴가 이루어지지 않도록 주요 형상을 결정하는 것이 바람직하다고 할 수 있다. 따라서 스터드의 기능에 영향을 주는 특징 형상을 설계변수로서 선정하고 다구찌 방법과 유한요소해석을 적용하여 스터드의 최적설계 변수를 도출하고자 하였다. Fig.
  • 다구찌 방법의 기초적 원리는 최소한의 실험으로부터 여러 가지 설계 변수의 설계조합에 대한 효과와 개별 변수에 대한 효과를 해석하는 것이다. 이 방법의 목적은 외적 잡음인자(noise factor)들을 실험에 포함시켜 최적조건을 도출하여 잡음에 둔감한 인자를 발견해 냄으로써 강건설계가 될 수 있게 하는 것이다.
  • 본 연구에서는 스터드 제품의 최적 설계를 위하여 단조시 금형의 파손이나 마멸 등에 큰 영향을 미치는 최대성형하중을 목적함수로 선정하였고, 이를 최소화하는 설계 변수의 조합을 구하고자 하였다. 또한 판재와 결합될 때 스터드의 높은 결합력과 뒤틀림에 대한 저항력을 갖기 위해서는 스터드 홈의 재료 충만성이 매우 중요함으로 홈의 충만율을 목적함수로 하여 이를 최대화하는 설계변수조합을 구하고 최대 성형하중의 특성값과 비교하였다.
  • 본 연구에서는 유한요소해석과 다구찌 방법을 이용해 높은 토크 저항력과 결합력을 가지는 클린치 스터드에 영향을 미치는 최적 설계 변수를 분석하였으며 아래와 같은 결과를 얻었다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
스터드 볼트란? 기계요소부품 중 스터드 볼트는 부품을 결합할 때 많이 사용되는 요소부품으로서 자동차, 산업기계, 조선해양, 플랜트, 건축, 토목 등 다양한 산업분야에 사용되고 있다. 이러한 볼트는 외부의 다양한 환경 조건과 기계적강도를 만족하기 위해서 단조, 전조, 가공 등 다양한 방법으로 제조되고 있다.
스터드 볼트는 어디에서 사용되어지는가? 기계요소부품 중 스터드 볼트는 부품을 결합할 때 많이 사용되는 요소부품으로서 자동차, 산업기계, 조선해양, 플랜트, 건축, 토목 등 다양한 산업분야에 사용되고 있다. 이러한 볼트는 외부의 다양한 환경 조건과 기계적강도를 만족하기 위해서 단조, 전조, 가공 등 다양한 방법으로 제조되고 있다.
클린치스터드는 어떻게 구성되는가? 클린치 스터드는 볼트머리 하부에 몇 개의 로브(lobe)와 원형의 홈, 그리고 리브(rib) 등의 형상으로 구성되는데 이는 금속의 소성유동이 효과적으로 되도록 하여 체결시 요구되는 높은 결합력과 토크를 만족할 수 있도록 하기 위함이다.
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참고문헌 (8)

  1. D. H. Kim, D. J. Kim, D. C. Ko, B. M. Kim and J. C. Choi, "Design Methodology of Preform in Multi-Stage Metal Forming Processes Considering Workability : Application of Artificial Neural Network by the Taguchi Method", Trans. of the KSME(A), Vol. 22, No. 9, pp.1615-1624, 1998. 

  2. S. K. Lee, J. E. Lee and B. M. Kim, "Optimization of Dies Angles to Improve the Dimensional Accuracy and Straightness of the Shaped Drawn Product based on the FE Simulation and the Taguchi Method", Trans. of the KSME(A), Vol. 32, No. 6, pp.474-480, 2008. 

    원문보기 상세보기 crossref

  3. H. Y. You, "A Study on the Forming Conditions of a Forging Piston by using the Finite Element Simulation and the Taguci Method", Journal of the KAIS, Vol. 13, No. 5, pp.1990-1995, 2012. DOI: http://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2012.13.5.1990 

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  4. D. H. Wu and M. S. Chang, "Use of Taguchi method to develop a robust design for the magnesium alloy die casting process", Material Science and Engineering A, Vol. 379, pp.366-371, 2004. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.msea.2004.03.006 

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  5. D. C. Chen and J. Y. Huang, "Design of brass alloy drawing process using Taguchi method", Material Science and Engineering A, Vol. 464, pp.135-140, 2007. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.msea.2007.01.139 

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  6. H. S. Byun, "Finite Element Analysis for the Forging Process Design of a Blind Rivet", Journal of the KAIS, Vol. 10, No. 10, pp.2577-2582, 2009. DOI: http://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2009.10.10.2577 

    원문보기 상세보기 crossref

  7. C. B. Wang, D. H. Song and Y. B. Park, "Finite Element Analysis of TEE forming for HDPE Pipe", Journal of the KAIS, Vol. 7, No. 3, pp.298-307, 2006. 

  8. J. R. Cho, Y. S. Joo and Y. H. Kim, "Characteristic Anlaysis of Powder Forging Processes for Engine Pistons by Finite Element analysis", Trans. of the KSME(A), Vol. 24, No. 8, pp.2042-2049, 2000. 

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