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문제 정의
- 인장-전단 모델의 절점 수와 요소 수는 각각 57161개와 47576개로 구성되었다. 본 연구에서는 접촉 해석시 발산을 방지하고 수렴성 향상을 위한 Stabilize 기능을 적용하여 정적해석을 수행하였다. 리벳과 판재 사이의 마찰계수는 0.
- 연구에서는 SPR 접합부의 제작 시에 요구되는 최적의 작용 하중을 결정하고 신뢰성 확보 차원에서 접합부의 피로 강도를 평가하기 위하여 두께 1.5 mm의 Al-5052 판재를 적용하여 인장-전단 시험편을 사용하여 정적 인장 실험과 피로 실험 및 유한요소해석을 수행하였다. 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
제안 방법
- 2는 SPR 접합부 시험편 중앙 부분의 단면이다. 3차원 디자인 프로그램인 CATIA에서 sketch tracer 기능을 사용하여 실제와 같은 치수의 형상을 표현하였다. 그러나 회전축을 중심으로 완전히 대칭이 아니므로 회전축을 중심으로 양 끝단의 치수를 각각 측정하고 평균값을 계산하여 단면을 완성하였다.
- 8은 SPR 시험편 접합부의 최대 von Mises응력(σeq)과 피로 수명과의 관계를 나타낸다. 그리고 동일한 알루미늄 5052 재질에 대하여 기계적 프레스 접합부(clinch)에 관한 해석한 결과11)를 비교하였다. 이를 통하여 SPR 시험편 접합부에 대하여 σeq = 514 × Nf-0.
- 인장-전단 시험편에 다양한 크기의 접합하중을 가한 시험편에 대하여 인장 실험을 한 결과 최대 인장하중 측면에서 21 kN의 접합하중을 가한 시험편이 가장 우수한 것으로 나타났다. 따라서 21 kN의 접합하중으로 인장-전단 시험편을 제작하여 정적강도 평가 및 피로시험을 수행하였다. 피로시험은 응력비 (R = Pmin/Pmax)가 0.
- 그러나 지금까지 국내·외를 막론하고 SPR 시험편의 피로 강도평가에 대한 연구는 아직 미비하다. 따라서 연구에\서는 자동차 경량화를 위해 차체 재료로 사용되는 알루미늄 5000계열 판재를 선정하여 SPR 접합방법으로 접합한 후 인장-전단(tensile-shear) 시험편의 최대 인장하중을 찾는 방법으로 최적의 펀치하중을 결정하였다. 피로강도 평가를 위하여 유한요소법 상용프로그램인 ABAQUS를 이용하여 피로시험편에 대한 구조해석을 수행하여 피로수명 평가를 시도하였다.
- 일반적인 점용접 시험편은 KS규격에 의거하여 시험편을 사용하지만 현재까지 연구와 관련된 SPR 접합부 시험편의 규격이 없다. 따라서 점용접에 사용되는 KS 규격5)을 참고로 하여 Fig. 1과 같은 인장-전단의 SPR 접합부 시험편을 제작하였다.
- 피로강도 평가를 위하여 유한요소법 상용프로그램인 ABAQUS를 이용하여 피로시험편에 대한 구조해석을 수행하여 피로수명 평가를 시도하였다. 또한 피로 시험편의 파면을 SEM으로 관찰하여 균열의 발생 위치와 발생 기구를 규명하였다.
- 본 연구에서는 범용 해석프로그램인 ABAQUS6)와 HyperMesh를 연동하여 수행하였다. 전처리 과정은 HyperMesh를 이용하여 전체 모델에 SOLID요소인 C3D6, C3D8 요소를 적용하고 경계조건을 생성하였다.
- 연구에서는 인장-전단 시험편에 관하여 실제 실험에 적용한 최대 하중에 해당하는 하중 2161.5 N ~ 2950.7 N의 범위가 작용할 때에 대한 구조해석을 수행하여 최대 von Mises 응력 분포를 분석하였다.
- 0 mm의 리벳을 사용하였다. 인장-전단 형상의 시험편을 기준으로 인장강도 측면에서 최적의 펀치 작용하중을 결정하기 위해 펀치하중을 변화시키면서 각각의 시험편에 대한 인장실험을 수행하였다.
- 와 HyperMesh를 연동하여 수행하였다. 전처리 과정은 HyperMesh를 이용하여 전체 모델에 SOLID요소인 C3D6, C3D8 요소를 적용하고 경계조건을 생성하였다. 인장-전단 모델의 절점 수와 요소 수는 각각 57161개와 47576개로 구성되었다.
- 접합 하중 21 kN으로 제작된 인장-전단 피로시험편에 대하여 응력비 0.1로 피로시험을 수행하였다. Fig.
- 6은 하중 진폭(Pamp)과 수명(N)과의 관계를 각각 나타내었다. 피로 파단은 상판 또는 하판에서 균열이 발생한 후 상판 또는 하판이 파단되어 분리가 일어날 때를 기준으로 설정하였다. 피로시험 결과 수명이 100 만회일 때를 기준으로 피로한도 하중진폭은 1150 N이며 정적 강도(P = 3430 N)의 약 34%이다.
- 따라서 연구에\서는 자동차 경량화를 위해 차체 재료로 사용되는 알루미늄 5000계열 판재를 선정하여 SPR 접합방법으로 접합한 후 인장-전단(tensile-shear) 시험편의 최대 인장하중을 찾는 방법으로 최적의 펀치하중을 결정하였다. 피로강도 평가를 위하여 유한요소법 상용프로그램인 ABAQUS를 이용하여 피로시험편에 대한 구조해석을 수행하여 피로수명 평가를 시도하였다. 또한 피로 시험편의 파면을 SEM으로 관찰하여 균열의 발생 위치와 발생 기구를 규명하였다.
- 따라서 21 kN의 접합하중으로 인장-전단 시험편을 제작하여 정적강도 평가 및 피로시험을 수행하였다. 피로시험은 응력비 (R = Pmin/Pmax)가 0.1인 정현파형(sine wave form)의 반복하중을 일정하게 가하여 수행하였다.
대상 데이터
- SPR 접합부의 인장-전단 시험편을 이용한 접합강도는 판의 두께, 리벳의 직경, 다이 등의 치수와 실제 시험편 제작 시 펀치의 작용하중의 크기에 따라 변한다. 본 연구에서는 상, 하판의 두께가 각각 1.5 mm인 판재와 직경 5.0 mm의 리벳을 사용하였다. 인장-전단 형상의 시험편을 기준으로 인장강도 측면에서 최적의 펀치 작용하중을 결정하기 위해 펀치하중을 변화시키면서 각각의 시험편에 대한 인장실험을 수행하였다.
- 연구에 사용된 SPR의 리벳은 Henrob사의 C50541로 꼬리부분의 지름과 길이는 모두 5 mm이고 중탄소강(0.35 wt.% C)으로 제작되었으며 알루미늄 표면처리(Almac)된 제품이다.
- 연구에서 SPR 접합부의 시험편에 사용한 재료로 Al-5052 H32를 적용하였다. SPR 접합부에 대한 유한요소해석을 위한 기계적 물성치를 확보하기 위하여 KS B 08015)에 의거하여 알루미늄에 대한 인장시험편을 제작하였다.
- 전처리 과정은 HyperMesh를 이용하여 전체 모델에 SOLID요소인 C3D6, C3D8 요소를 적용하고 경계조건을 생성하였다. 인장-전단 모델의 절점 수와 요소 수는 각각 57161개와 47576개로 구성되었다. 본 연구에서는 접촉 해석시 발산을 방지하고 수렴성 향상을 위한 Stabilize 기능을 적용하여 정적해석을 수행하였다.
이론/모형
- SPR 접합부 시험편의 상판, 상판에서 분리된 조각, 하판, 리벳에 관한 접촉 해석을 위하여 3차원 유한요소 모델을 사용하였다. Fig.
- 연구에서 SPR 접합부의 시험편에 사용한 재료로 Al-5052 H32를 적용하였다. SPR 접합부에 대한 유한요소해석을 위한 기계적 물성치를 확보하기 위하여 KS B 08015)에 의거하여 알루미늄에 대한 인장시험편을 제작하였다. 인장 속도는 3 mm/min으로 인장시험을 실시하였다.
성능/효과
- 1) 상⋅하판을 SPR 접합법으로 접합시 인장-전단 시험편의 인장강도 측면에서 최적의 접합하중이 21 kN에서 최대 인장 강도는 3430 N으로 나타났으며 리베팅 부의 상판과 하판이 분리파괴의 형태를 보였다.
- 2) 하중진폭(Pamp)과 반복수(N)와의 관계는 Pamp = 3995.5 × Nf-0.078으로 나타났으며 최대 von Mises응력(σeq)과 반복수와의 관계는 σeq = 514.7 × Nf-0.033으로 나타났다.
- 3) 피로 한도에 해당하는 진폭하중은 수명이 100만회 기준으로 1150 N이며 정적 강도(= 3430 N)의 약 34%이다.
- 4) 인장-전단 피로 시험편에 대하여 저하중 구간에서는 리벳과 하판의 버튼 안쪽 부분에서 fretting이 발생하여 균열이 발생되었다. 반면, 고하중 구간에서는 리베팅 부분에서 상판의 아랫면과 하판의 윗면에서 fretting에 의해서 균열이 발생하여 관통파괴가 되는 것으로 판단된다.
- 7% 수준이었다9) . 따라서 기계적 접합 방 식에 비해 SPR 접합 방식이 정적 강도에 대한 피로한도 하중진폭의 비율을 기준으로 약 20배 이상 증가 하는 것을 확인 할 수 있다. 즉 기계적 접합법에 비하여 피로강도가 대단히 향상되는 것을 입증하고 있다.
- 7 MPa의 응력이 작용한다. 따라서 기계적 프레스 접합부에 비하여 SPR 접합부가 대단히 높은 피로강도를 갖는 것을 확인할 수 있다.
- Han 등4)은 알루미늄-알루미늄 SPR 인장-전단 접합부가 fretting에 의해 피로 파손이 발생했다는 연구를 발표하였다. 또한 fretting의 영향을 줄이기 위해 시험편의 계면에 윤활제를 도포하면 피로 수명이 상승되는 결과를 도출하였다.
- SPR 접합부의 정적 강도를 측정하기 위한 실험과 피로 강도를 평가하기 위한 실험에는 10ton 용량의 전기유압식 만능 재료 시험기(Instron 8516)를 사용하였다. 인장-전단 시험편에 다양한 크기의 접합하중을 가한 시험편에 대하여 인장 실험을 한 결과 최대 인장하중 측면에서 21 kN의 접합하중을 가한 시험편이 가장 우수한 것으로 나타났다. 따라서 21 kN의 접합하중으로 인장-전단 시험편을 제작하여 정적강도 평가 및 피로시험을 수행하였다.
- 피로 파단은 상판 또는 하판에서 균열이 발생한 후 상판 또는 하판이 파단되어 분리가 일어날 때를 기준으로 설정하였다. 피로시험 결과 수명이 100 만회일 때를 기준으로 피로한도 하중진폭은 1150 N이며 정적 강도(P = 3430 N)의 약 34%이다. SPR 접합 공법과 함께 이종재 접합에 적용되는 기계적 프레스 접합법(clinch)을 적용하여 Al-5052 인장-전단 시험편에 대한 피로시험 결과 수명이 100만회일 때를 기준으로 피로한도 진폭하중은 17.
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