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문제 정의
- 본 연구에서는 체결 중 발생하는 전단 파손의 하나인 볼트 머리부의 파손에 대해 연구하였다. 볼트용 선재에 대해 전단 시험을 수행하여 전단 파손 기준을 마련하였다.
- 본 연구에서는 초소형 볼트에 대해 유한요소해석을 수행하여 비트 깊이가 최대 체결토크에 미치는 영향과 비트부위의 응력에 미치는 영향에 대해 파악하였고 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 해석 대상인 초소형 볼트의 소재는 SUS304 이다. 이 소재에 대한 전단파손 기준을 마련하기 위해 실험과 해석을 진행 하였다. 파손 기준은 ABAQUS
제안 방법
- (1) 볼트용 선재의 전단파손 기준을 설정하기 위해 소재를 이용하여 전단시험과 해석을 수행하였다. 시험 결과와 해석 결과의 비료를 통해서 전단기준인 shear failure 값을 1.
- (2) 설정된 전단파손 기준을 이용하여 볼트 체결시 파손까지 체결을 해석하였다. 비트 깊이별 체결을 해석하여 최대 체결 토크를 얻을 수 있는 비트 깊이를 예측할 수 있었다.
- 8 인 경우이다. 결과 비교는 Punch 변위 0.45, 0.60, 0.70 mm 일때 형상을 비교하였다. 해석이 진행됨에 따라 요소 소진이 되면서 전단이 발생하는 것을 알 수 있다.
- 볼트 체결시 볼트의 목부 파단외에 비트부의 파단 및 과도한 소성변형도 체결에 문제가 될 수 있다. 그래서, 비트 부위의 응력을 분석하였다.
- 볼트에서 대부분의 파손이 머리 부나 머리 부 근처의 나사에서 발생하기 때문에 볼트 전체를 해석하지 않고 그림과 같이 절단된 부분만 효율적으로 해석하였다. 그리고 절단된 면의 모든 변위를 고정하였다. Fig.
- 그리고, 설정된 기준에 근거하여 체결시 발생하는 머리부 파손을 해석하였다. 그리고, 비트의 깊이에 따른 해석을 통해 비트의 깊이가 최대 체결 토크에 미치는 영향과 머리부에 걸리는 응력을 분석하였다.
- 볼트용 선재에 대해 전단 시험을 수행하여 전단 파손 기준을 마련하였다. 그리고, 설정된 기준에 근거하여 체결시 발생하는 머리부 파손을 해석하였다. 그리고, 비트의 깊이에 따른 해석을 통해 비트의 깊이가 최대 체결 토크에 미치는 영향과 머리부에 걸리는 응력을 분석하였다.
- Lee 등(1)은 볼트로 조립된 프레임 주조물의 강도 해석을 수행하였다. 나사산의 파손을 직접 해석하지 않고 절점 커플링(Coupling) 조건으로 해석하였다. Lim 등(2)도 나사산을 완전구속조건으로 설정하고 탄성해석을 수행하여 원자력발전소용 앵커볼트의 안정성을 평가하였다.
- 볼트헤드 밑면의 압력은 체결력에 해당하는 압력을 가하였다. 볼트에서 대부분의 파손이 머리 부나 머리 부 근처의 나사에서 발생하기 때문에 볼트 전체를 해석하지 않고 그림과 같이 절단된 부분만 효율적으로 해석하였다. 그리고 절단된 면의 모든 변위를 고정하였다.
- 본 연구에서는 체결 중 발생하는 전단 파손의 하나인 볼트 머리부의 파손에 대해 연구하였다. 볼트용 선재에 대해 전단 시험을 수행하여 전단 파손 기준을 마련하였다. 그리고, 설정된 기준에 근거하여 체결시 발생하는 머리부 파손을 해석하였다.
- 8 을 적용하여 요소 소진법(Element erosion)을 적용하여 해석을 하였다. 비트의 깊이 0.30, 0.35, 0.40, 그리고 0.45 mm 에 대해 해석을 수행하였다.
- 앞 장에서 설정한 전단 파손 기준에 기초하여 비트 깊이에 따라 볼트의 체결 토크를 해석하였다. 비트의 깊이 0.30, 0.35, 0.40, 그리고 0.45 mm 에 대해 해석하여 비트 깊이가 최대 체결 토크 및 파손에 미치는 영향을 분석하였다.
- Punch 는 강체로 모델링 하였고, Die 는 변형체로 설정하였다. 선재에 shear failure 의 값을 적용 하여 요소소진 (Element erosion) 조건을 설정하고 해석하였다. 육면체요소(C3D8R)를 이용하여 이산화하였고 요소의 크기는 사전 해석을 통해 충분히 작게 하였다.
- 앞 장에서 설정한 전단 파손 기준에 기초하여 비트 깊이에 따라 볼트의 체결 토크를 해석하였다. 비트의 깊이 0.
- 선재에 shear failure 의 값을 적용 하여 요소소진 (Element erosion) 조건을 설정하고 해석하였다. 육면체요소(C3D8R)를 이용하여 이산화하였고 요소의 크기는 사전 해석을 통해 충분히 작게 하였다.
- 사면체(C3D4) 요소를 사용하였다. 응력이 크게 걸리고 파손이 예측되는 볼트 목 부분을 상대적으로 작은 요소로 이산화 하였다. 볼트의 파손은 shear failure 값을 1.
- 축 인장력은 체결 품과 볼트 헤드에 사이에 걸리게 된다. 이를 볼트 헤드와 체결품이 접하는 면의 압력(200 MPa)으로 계산하여 압력 경계조건으로 적용하여 체결력을 고려하였다.
- 에서 사용되는 shear failure 값으로 하였다. 전단 시험으로 하중-변위 곡선을 구하고 해석에서 shear failure 값을 변경시키면서 해석한 결과와 비교하여 소재의 shear failure 값을 설정하였다.
- 5(a)는 해석 모델의 개략도와 경계조건을 보여준다. 체결 드라이버 비트는 강체로 모델링하여 회전 변위를 가하였다. 볼트헤드 밑면의 압력은 체결력에 해당하는 압력을 가하였다.
대상 데이터
- 5(b)는 요소구조를 보여준다. 사면체(C3D4) 요소를 사용하였다. 응력이 크게 걸리고 파손이 예측되는 볼트 목 부분을 상대적으로 작은 요소로 이산화 하였다.
- 재질은 각각 SM45C T6 이고 열처리하였다. 시편으로 사용한 선재는 SUS304 이다. Table 1 은 소재의 물성을 보여준다.
- 1 은 실험에 사용한 Punch 와 Die 를 보여준다. 재질은 각각 SM45C T6 이고 열처리하였다. 시편으로 사용한 선재는 SUS304 이다.
- 해석 대상인 초소형 볼트의 소재는 SUS304 이다. 이 소재에 대한 전단파손 기준을 마련하기 위해 실험과 해석을 진행 하였다.
데이터처리
- 해석은 파단까지 해석하기 위해 범용 해석프로그램인 ABAQUS/Explicit 를 이용하여 수행하였다. Fig.
이론/모형
- 응력이 크게 걸리고 파손이 예측되는 볼트 목 부분을 상대적으로 작은 요소로 이산화 하였다. 볼트의 파손은 shear failure 값을 1.8 을 적용하여 요소 소진법(Element erosion)을 적용하여 해석을 하였다. 비트의 깊이 0.
성능/효과
- 비트 깊이별 체결을 해석하여 최대 체결 토크를 얻을 수 있는 비트 깊이를 예측할 수 있었다. 또한 비트의 깊이가 깊어지면 볼트의 목부에서 파손될 가능성이 커지고, 비트 깊이가 낮아지면 비트부위의 응력이 커짐을 알 수 있었다.
- shear failure 의 값이 커질수록 요소소진이 늦게 발생하여, 최종 전단하중은 증가하고 전단까지의 변위도 증가한다. 시험결과와 해석 결과를 비교해 볼 때, shear failure값이 1.8 일 때 가장 잘 맞는 것을 알 수 있다. 실험에서는 전단 지점에서 하중이 급격하게 감소하는데 비해서 해석 결과는 하중이 완만하게 감소한다.
- 9(a)에서 q)가 작아져서 응력이 커지는 것으로 사료된다. 이상의 결과로 볼 때, 비트의 깊이가 깊어지면 볼트의 목부에서 파손이 빨리 발생하고, 비트의 깊이가 낮아지면, 비트의 B 영역에서 응력이 크게 걸림을 알 수 있다.
- 비트 깊이가 더 깊어지면 최대 체결 토크는 더 작아질 것으로 예측된다. 이상의 체결 토크의 결과로 볼 때, 비트 깊이가 0.30 또는 0.35 mm 인 경우가 가장 좋다고 볼 수 있다. 하지만, 비트의 깊이가 낮아질수록 드라이버와 접촉되는 면적이 작아져서 체결에 문제가 발생할 수 있기 때문에 0.
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