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문제 정의
- 한국 자동차 산업은 지난 10년간 급성장하며 선진국의 추격자 단계에서 벗어나 세계 5위의 눈부신 성장을 하고 있다. 따라서 자동차의 품질 및 신뢰성 향상에 대하여 지속적인 연구가 필요하며, 이러한 자동차의 품질 및 신뢰성을 향상시키기 위해 본 논문에서는 자동차의 점용접에 대하여 기술하고자 한다.[1] 점용접은 자동차, 가전제품 등의 생상공장에서 많이 사용되어지고 있으며 그 중에서도 대상물품의 대량 생산 뿐만 아니라 용접기기로 손쉽게 용접하는 것이 가능하기 때문에 여러 생산 공장에서 사용 중에 있다.
- 또한 이러한 해석 결과검증은 응력-수명 데이터를 획득할 때 결과에 대한 신뢰성을 기반하기 위함이다. 그 다음으로 앞서 점용접부에 대한 피로시험 통해 획득한 하중-수명 데이터를 가지고 유한요소해석을 이용하여 응력-수명 선도를 획득한다.
- 본 논문의 목적은 다수의 점용접부를 포함한 엔진룸에 장착되는 차량 부품 대상으로 주파수응답 해석 및 진동피로해석을 수행하여 피로수명을 평가하는 것이다. 이를 위해 먼저 대상모델의 특성 검토를 통해 모델의 장착 위치 및 외력의 종류 및 방향을 확인하고 재료의 물성을 파악하였으며, 대상물에 사용되는 재료를 사용하여 시험편을 제작하여 인장 특성을 도출하였다.
- 본 연구에서는 차량에 많이 사용 점용접부에 대한 피로수명 평가하였다. 이에 얻어진 결과는 다음과 같다.
- 하중-수명 선도 데이터는 점용접부에 가해지는 하중이 인장-전단 하중이므로 응력-수명 데이터를 획득하기 어렵다. 이를 가지고 유한요소법을 이용한 응력-수명 데이터를 획득하기 위한 기초데이터를 정립하였다.
제안 방법
- (1) 아연도금강판의 점용접부 시험편을 제작하여 인작 특성을 획득하였으며, 점용접부에 대한 인장 및 피로특성 및 점용접부에 대한 응력-수명 선도를 획득하였다.
- (2) 점용접부 6개를 포함하는 자동차 부품에 대하여 선형 정적 및 주파수 응답해석을 수행하였다. 강성 변화 및 고유진동수의 변화를 알아보기 위해 점용접부를 1개씩 제거하여 반복 수행하였으며, 이를 점용접부 50% 파손 시까지 수행하였다.
- 총 12개의 시험편을 가지고, 모재부의 인장실험결과에서 획득한 인장강도에 따른 하중비를 설정하였다. 0.11 수준의 피로 하중 당 시험편 2개씩을 사용하여 피로특성을 평가하였다. 피로한도(fatigue limit) 3 × 106 cycles로 정의하였고, KS B 0528[11]의 규격 따른 피로시험을 수행하였다.
- 이 때 변형률은 50mm 의 표점 거리(gauge length)를 갖는 변위 계측기를 사용하여 측정하였다. 각각의 시험편에 대해 KS B 0802[12]를 참조하여 7개씩 인장시험을 수행하였다.
- (2) 점용접부 6개를 포함하는 자동차 부품에 대하여 선형 정적 및 주파수 응답해석을 수행하였다. 강성 변화 및 고유진동수의 변화를 알아보기 위해 점용접부를 1개씩 제거하여 반복 수행하였으며, 이를 점용접부 50% 파손 시까지 수행하였다. 이에 대하여 강성이 낮아질수록 고유진동수도 낮아지는 것을 확인하였다.
- 또한 이러한 해석 결과검증은 응력-수명 데이터를 획득할 때 결과에 대한 신뢰성을 기반하기 위함이다. 그 다음으로 앞서 점용접부에 대한 피로시험 통해 획득한 하중-수명 데이터를 가지고 유한요소해석을 이용하여 응력-수명 선도를 획득한다.
- [4] 따라서 점 용접부의 피로파괴의 문제점을 개선하고 현실적인 수명을 예측하는 연구가 활발히 수행되고 이에 대한 피로수명 예측기술도 많이 발전하였다. 그 중 초기 개발에 요구되는 시간, 실험 횟수 및 비용을 줄일 수 있는 시뮬레이션을 이용한 피로해석 기법을 사용하였다.[5]
- 전체 모델의 요소는 20,097개 절점은 20,544개로 구성되며, 하중은 관성하중 1g를 부여하였다. 또한 경계조건은 MPC 요소 2개를 사용하여 점용접부에 대한 최대응력유도를 위해 설정하였다. 또한 점용접부의 특화 요소인 cweld 요소를 사용하여 너깃 지름 6mm인 총 6개의 점용접부를 구현했다.
- 11 수준으로 선정하였다. 또한 점용접부의 시험편 제작 및 실험을 수행하였고 그에 대한 인장특성을 도출하였으며, 주파수 응답해석을 수행하였다. 이에 대한 데이터로 진동피로해석에 설정하여 해석을 수행 하였다.
- 또한 경계조건은 MPC 요소 2개를 사용하여 점용접부에 대한 최대응력유도를 위해 설정하였다. 또한 점용접부의 특화 요소인 cweld 요소를 사용하여 너깃 지름 6mm인 총 6개의 점용접부를 구현했다.
- . 또한, 진동피로해석의 피로 손상률 이론인 Dirlik[8] 및 평균응력 영향을 고려하기위해 Goodman을 설정하여 진동 피로해석을 수행하였다.
- 그림에서 확인 할 수 있듯이 점용접부을 하나씩 제거 했을 때 6개의 점용접부에서는 2번째 점용접부에서 최대응력이 발생하였으며, 나머지는 순차적으로 최대응력이 발생하는 것을 확인 할 수 있었다. 보다 명확한 평가를 위하여 가속도-주파수 선도와 응력-주파수 선도을 도출하였다. Fig.
- 상용코드인 MSC Patran/Nastran[6∼7]을 이용하여 모델링 및 주파수응답 해석을 수행하였다.
- 아연도금강판에 대한 모재부의 인장특성을 획득하기 위해 인장실험을 수행하였다. 인장시험기는 Instron사의 8801이며 인장시험 조건은 실온대기 조건 하에서 크로스 헤드속도 2mm/min으로 설정하였다.
- 아연도금강판의 점용접부에 대해 인장 및 피로특성을 획득하기 위해 인장 및 피로실험을 수행하였다. 인장실험의 경우를 살펴보면 모재부 인장실험에 사용한 Instron사의 8801이며 인장시험조건은 모재부 인장시험과 동일한 조건인 실온 대기조건 하에서 크로스 헤드속도 2mm/min으로 설정하였다.
- 유한요소모델을 이용하여 주파수 응답해석을 수행하였다. 진동 피로해석에서 연구 대상물에 가진주파수와 고유주파수가 중첩될 경우 응답되는 값은 최대에 이르게 되며, 이 결과값을 토대로 피로 손상률을 반영하기 때문에 주파수 응답해석은 매우 중요하다.
- 인장시험기는 Instron사의 8801이며 인장시험 조건은 실온대기 조건 하에서 크로스 헤드속도 2mm/min으로 설정하였다. 이 때 변형률은 50mm 의 표점 거리(gauge length)를 갖는 변위 계측기를 사용하여 측정하였다. 각각의 시험편에 대해 KS B 0802[12]를 참조하여 7개씩 인장시험을 수행하였다.
- 두 번째로 주파수의 증분의 크기는 최대 응답에 대해 주파수 구간이 만족할 수 있는 결과를 얻기 위해 적절한 작은 값을 설정해야 한다. 이러한 과정을 통하여 주파수응답해석을 수행하였다. Fig.
- 또한 점용접부는 인장-전단의 하중을 받기 때문에 직접적으로 응력-수명 결과를 도출하기가 어렵다. 이러한 한계점을 극복하고자 점용접부의 인장시험을 수행한 결과와 유한요소법을 이용하여 같은 시험편과 하중 및 경계조건을 부여하고 해석한 결과를 비교하였다. Table 5는 점용접부의 탄성영역에서 4, 5 및 6kN의 하중이 점용접부 시험편에 작용했을 때의 변위 결과 값이다.
- 본 논문의 목적은 다수의 점용접부를 포함한 엔진룸에 장착되는 차량 부품 대상으로 주파수응답 해석 및 진동피로해석을 수행하여 피로수명을 평가하는 것이다. 이를 위해 먼저 대상모델의 특성 검토를 통해 모델의 장착 위치 및 외력의 종류 및 방향을 확인하고 재료의 물성을 파악하였으며, 대상물에 사용되는 재료를 사용하여 시험편을 제작하여 인장 특성을 도출하였다. 구조해석 범용 상용코드인 Patran/Nastran[6∼7]을 이용하여 주파수응답해석을 수행하였다.
- 총 6개의 점용접부를 가진 구조물의 점용접부를 1개씩 제거하여 강성변화를 고려한 진동피로해석을 수행하였다. 이를 통하여 강성변화를 고려한 점용접부의 피로 수명을 예측하였다.
- 또한 점용접부의 시험편 제작 및 실험을 수행하였고 그에 대한 인장특성을 도출하였으며, 주파수 응답해석을 수행하였다. 이에 대한 데이터로 진동피로해석에 설정하여 해석을 수행 하였다. Fig.
- 점용접부 인장 및 피로시험편은 KS B 0528 [11]의 규격을 참조하여 Fig. 2와 같은 시험편을 각각 12개씩 제작하여 인장 및 피로 시험을 수행하였다.
- 점용접부는 상기와 동일한 재료로 두께 1.3mm와 1.4mm인 강판을 Table 1에 제시한 조건에 따라 단일 점용접 하였으며, 인장 및 피로시험편 모두 양쪽 끝에 보강판을 덧대어 두께를 조정함으로써 경계조건에 대해 편심이 발생하지 않도록 하였다.
- 주파수응답해석 조건은 공진을 검출하기 위하여 주파수 범위 5~1000Hz까지 설정하였고 주파수 증분은 10Hz로 설정하였다. 연구 대상물의 하중조건은 PSD=0.
- 진동피로해석을 수행하기 위해 앞서 선행된 연구모델의 주파수 응답해석을 통해 결과를 획득하였으며, 주파수 영역에서 하중이력데이터는 PSD 형태로 0.11 수준으로 선정하였다. 또한 점용접부의 시험편 제작 및 실험을 수행하였고 그에 대한 인장특성을 도출하였으며, 주파수 응답해석을 수행하였다.
- 구조해석 범용 상용코드인 Patran/Nastran[6∼7]을 이용하여 주파수응답해석을 수행하였다. 총 6개의 점용접부를 가진 구조물의 점용접부를 1개씩 제거하여 강성변화를 고려한 진동피로해석을 수행하였다. 이를 통하여 강성변화를 고려한 점용접부의 피로 수명을 예측하였다.
대상 데이터
- 이에 대한 인장특성을 획득하기 위하여 인장시험을 수행하였으며, 인장실험 규격 KS B 0801[10]을 사용하였다. 따라서 Fig. 1과 같은 인장시험편을 각각 7개를 제작하였다.
- 상용코드인 MSC Patran/Nastran[6∼7]을 이용하여 모델링 및 주파수응답 해석을 수행하였다. 모델링의 요소는 Shell요소로 설정하였고 Mesh 격자 요소로 Quad 4 및 Tri 3 요소를 사용하였다. Fig.
- 모재부 인장시험은 두께가 1.3mm 및 1.4 mm인 각 7개씩의 시험편을 대상으로 수행하였고 Fig. 5과 같은 응력-변형률 선도로 결과를 도출하였다. Table 3은 인장시험 결과의 평균값을 나타냈다.
- 본 논문에서 사용되는 재료는 POSCO 제 아연도금강판(Galvanized steel sheet)으로 모재부의 두께가 1.3mm 및 1.4mm를 가진다. 도금의 두께는 8.
- 아연도금강판에 대한 모재부의 인장특성을 획득하기 위해 인장실험을 수행하였다. 인장시험기는 Instron사의 8801이며 인장시험 조건은 실온대기 조건 하에서 크로스 헤드속도 2mm/min으로 설정하였다. 이 때 변형률은 50mm 의 표점 거리(gauge length)를 갖는 변위 계측기를 사용하여 측정하였다.
- 아연도금강판의 점용접부에 대해 인장 및 피로특성을 획득하기 위해 인장 및 피로실험을 수행하였다. 인장실험의 경우를 살펴보면 모재부 인장실험에 사용한 Instron사의 8801이며 인장시험조건은 모재부 인장시험과 동일한 조건인 실온 대기조건 하에서 크로스 헤드속도 2mm/min으로 설정하였다.
- 4mm의 시편에 대한 평균값을 부여했으며 Table 2는 연구대상물의 물성을 나타낸 것이다. 전체 모델의 요소는 20,097개 절점은 20,544개로 구성되며, 하중은 관성하중 1g를 부여하였다. 또한 경계조건은 MPC 요소 2개를 사용하여 점용접부에 대한 최대응력유도를 위해 설정하였다.
- 1, 하중속도 15Hz로 피로시험조건을 설정하였다. 총 12개의 시험편을 가지고, 모재부의 인장실험결과에서 획득한 인장강도에 따른 하중비를 설정하였다. 0.
데이터처리
- 구조해석 범용 상용코드인 Patran/Nastran[6∼7]을 이용하여 주파수응답해석을 수행하였다.
이론/모형
- 본 연구에서 진동 피로 해석을 수행하기 위해 MSC/Fatigue[13]를 사용하였으며, 차량 부품의 피로해석에 공진을 고려하여 전체 피로 수명을 산출하는 진동피로해석방법을 적용하였다..
- 2mm 이며, 도금방법은 냉간압연 재료에 전기화학적으로 표면에 아연도금을 처리한 것이다. 이에 대한 인장특성을 획득하기 위하여 인장시험을 수행하였으며, 인장실험 규격 KS B 0801[10]을 사용하였다. 따라서 Fig.
- 피로한도(fatigue limit) 3 × 106 cycles로 정의하였고, KS B 0528[11]의 규격 따른 피로시험을 수행하였다.
성능/효과
- 그다음 첫 번째 세 번째 점용접부 순으로 나타났다. 같은 방법으로 최소 수명 지점을 제외한 총 5개의 점용접부에 대하여 재해석 결과 첫 번째 점용접부 지점에서 최소 수명을 나타내었고 다음 세 번째, 네 번째 순서로 피로 수명이 증가하였다. 같은 방법으로 총 4개 점용점부를 포함한 연구모델에 대해 피로해석 수행한 결과 4개의 경우 세 번째, 네 번째, 다섯 번째 순서로 피로수명이 증가하였다.
- 첫 번째 최대 가진 주파수의 영역에 대해 충분히 큰 영역까지 설정해야 한다. 두 번째로 주파수의 증분의 크기는 최대 응답에 대해 주파수 구간이 만족할 수 있는 결과를 얻기 위해 적절한 작은 값을 설정해야 한다. 이러한 과정을 통하여 주파수응답해석을 수행하였다.
- 이에 대하여 강성이 낮아질수록 고유진동수도 낮아지는 것을 확인하였다. 진동피로해석 결과에서 고유주파수를 고려하였기 때문에 피로수명이 짧게 예측되는 것을 확인하였다.
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