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문제 정의
- 제작된 시험편에 대하여 정적 및 피로시험을 실시하여 강도를 평가하였다. 또한 냉간압연강판 기계적 접합부의 피로강도를 평가하는 적절한 매개변수를 제안하고자 한다.
- 본 연구에서 기계적 프레스 접합부의 제작 시에 요구되는 최적의 작용하중을 결정하고 신뢰성 확보 차원에서 접합부의 피로 강도를 평가하기 위하여 십자형인장 시험편을 제작하여 정적 인장 실험과 피로 실험을 수행하였다. 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
가설 설정
- 1과 같이 4개의 접합부로 된 시험편을 제작하였다. 이때 4점의 접점에 의한 피로강도에서의 상호작용은 없는 것으로 가정하였다. 그리고 최적의 접합하중을 구하기 위한 조건으로 1개의 접합부에 대한 인장실험을 실시하였으며 최고의 인장력을 보여주는 펀치하중으로 제작하여 피로시험편을 제작하였다.
제안 방법
- 이때 4점의 접점에 의한 피로강도에서의 상호작용은 없는 것으로 가정하였다. 그리고 최적의 접합하중을 구하기 위한 조건으로 1개의 접합부에 대한 인장실험을 실시하였으며 최고의 인장력을 보여주는 펀치하중으로 제작하여 피로시험편을 제작하였다. 피로시험은 Fig.
- 따라서 다양한 기하학적 인자들을 통합할 수 있는 응력이나 변형률과 같은 표준화된 매개변수를 적용하여 피로수명을 평가하는 것이 필요하다. 본 연구에서는 다양한 피로매개변수를 적용하여 본 연구 실험 결과와 동일한 재료에 대하여 다른 연구에서 발표된 인장-박리 시험편의 연구 결과5)를 포함시켰다.
- 본 연구에서는 십자형 인장 시험편에 관하여 실제 실험에 적용한 하중의 응력진폭에 해당하는 하중인 1960 N ∼ 392 N 범위에서 시험편에 작용하여 구조해석을 수행하여 응력 및 변형률분포 등을 분석하였다.
- 기계적 접합부의 십자형 인장 시험편을 이용한 접합강도는 치수 즉, 판의 두께, 펀치 직경 등의 요소들과 실제 시험편 제작시의 펀치에 작용하는 작용하중의 크기에 따라 변화한다. 본 연구에서는 인장강도 측면에서 최적의 펀치 작용하중을 결정하기 위하여 1점의 접합부에 대한 펀치 작용하중을 변화시키면서 각각의 시험편을 이용하여 인장실험을 실시하였다.
- 유한요소해석 결과를 토대로 작용하중진폭을 von Mises응력, 유효변형률, SWT 피로매개변수로 변환한 후에 피로수명의 항으로 그래프를 작성하였다. 이때 본 연구와 동일한 재료에 대하여 다른 연구에서 발표된 인장-박리 시험편의 결과[5]에 대하여 구조해석을 수행하여 포함시켰다.
- 유효응력과 유효변형률은 일반적으로 복잡한 형상으로 이루어진 부품의 피로수명을 평가하는데 사용하는 관계로 적용을 시도하였다. 또한 하중이 가해지는 기계적 접합부가 다축응력상태이므로 다축응력 상태에서의 피로수명 예측에 적용되는 SWT (Smith–Watson–Topper) 피로매개변수6)를 적용하였다.
- 2와 같이 십자형 시험편의 하판부의 양끝 그립부를 고정하고 상판부의 양끝 그립부를 고정한 상태에서 인장하중을 가하는 방식으로 수행을 하였다. 응력비(=최소하중/최대하중)은 0.1로 5 Hz의 정현파형의 반복 하중을 일정하게 가하여 수행하였다.
- 유한요소해석 결과를 토대로 작용하중진폭을 von Mises응력, 유효변형률, SWT 피로매개변수로 변환한 후에 피로수명의 항으로 그래프를 작성하였다. 이때 본 연구와 동일한 재료에 대하여 다른 연구에서 발표된 인장-박리 시험편의 결과[5]에 대하여 구조해석을 수행하여 포함시켰다. Fig.
- 따라서 본 연구에서는 가장 일반적인 자동차 차체재료인 냉간 압연강판를 이용하여 기계적 프레스로 접합한 십자형 인장 시험편을 제작하였다. 제작된 시험편에 대하여 정적 및 피로시험을 실시하여 강도를 평가하였다. 또한 냉간압연강판 기계적 접합부의 피로강도를 평가하는 적절한 매개변수를 제안하고자 한다.
- 그리고 최적의 접합하중을 구하기 위한 조건으로 1개의 접합부에 대한 인장실험을 실시하였으며 최고의 인장력을 보여주는 펀치하중으로 제작하여 피로시험편을 제작하였다. 피로시험은 Fig. 2와 같이 십자형 시험편의 하판부의 양끝 그립부를 고정하고 상판부의 양끝 그립부를 고정한 상태에서 인장하중을 가하는 방식으로 수행을 하였다. 응력비(=최소하중/최대하중)은 0.
대상 데이터
- 따라서 본 연구에서는 가장 일반적인 자동차 차체재료인 냉간 압연강판를 이용하여 기계적 프레스로 접합한 십자형 인장 시험편을 제작하였다. 제작된 시험편에 대하여 정적 및 피로시험을 실시하여 강도를 평가하였다.
- 본 연구에서 기계적 프레스 접합부 시험편 제작을 위하여 자동차 차체 외장재로 주로 적용되고 있는 냉간 압연강판의 일종인 두께 0.8 mm의 SPCC를 사용하였다. 참고로 SPCC는 JIS규격으로 탄소성분이 0.
- 십자형 인장 시험편의 경우 인장 저항력이 낮아 접합부가 1점일 경우 피로실험을 실시할 경우 제어 하중이 매우 낮아 유압서보 피로시험기의 하중 제어에 어려움이 있어 최종적으로 Fig. 1과 같이 4개의 접합부로 된 시험편을 제작하였다. 이때 4점의 접점에 의한 피로강도에서의 상호작용은 없는 것으로 가정하였다.
- 6)를 사용하였다. 접합부의 요소는 HEXA 요소(C3D8)와 PENTA 요소 (C3D6)를 사용하여 모델을 구성하였다. 접촉(contact) 해석을 위하여 master-slave 기법을 적용하였으며 이때 상판과 하판과의 접합부의 마찰계수는 0.
- 2를 적용하였다. 해석에는 SPCC 인장 시험편의 인장 실험을 통하여 구한 선형-비선형 가공경화선도 데이터를 적용하였다. 하중 조건은 실험방법과 동일하게 하판의 그립부를 구속부분을 구속하고 상판의 그립부에 인장하중을 가하였다.
데이터처리
- 본 연구에서는 십자형 인장 시험편에 관하여 실제 실험에 적용한 하중의 응력진폭에 해당하는 하중인 1960 N ∼ 392 N 범위에서 시험편에 작용하여 구조해석을 수행하여 응력 및 변형률분포 등을 분석하였다. 유한요소해석을 위하여 전후처리기로는 HyperMesh (ver. 7.0)를 문제풀이 프로그램 (solver)으로는 ABAQUS(ver. 6.6)를 사용하였다. 접합부의 요소는 HEXA 요소(C3D8)와 PENTA 요소 (C3D6)를 사용하여 모델을 구성하였다.
이론/모형
- 또한 하중이 가해지는 기계적 접합부가 다축응력상태이므로 다축응력 상태에서의 피로수명 예측에 적용되는 SWT (Smith–Watson–Topper) 피로매개변수6)를 적용하였다.
- 접합부의 요소는 HEXA 요소(C3D8)와 PENTA 요소 (C3D6)를 사용하여 모델을 구성하였다. 접촉(contact) 해석을 위하여 master-slave 기법을 적용하였으며 이때 상판과 하판과의 접합부의 마찰계수는 0.2를 적용하였다. 해석에는 SPCC 인장 시험편의 인장 실험을 통하여 구한 선형-비선형 가공경화선도 데이터를 적용하였다.
성능/효과
- 1. 본 연구에 사용된 판 두께와 펀치직경으로 상 ⋅하판 모두를 두께 0.8 mm의 SPCC 판재로 접합 시 인장강도 측면에서 최적의 펀치작용하중은 74 kN으로 나타났다.
- 2. 기계적 접합부의 인장 시험 시 모두 접합부 버튼이 상⋅하로 분리되는 분리파단 형태를 나타냈으며, 4점에 대한 최대 인장하중은 2787 N 이었다.
- 3. 1 점에 대한 피로한도 하중 진폭이 106 cycle 기준으로 42.6 N으로 1 점에 대한 최대 접합하중이 708 N임을 고려할 경우 최대 접합하중에 대한 피로한도 폭은 약 6%로 나타났다.
- 80으로 유효변형률, SWT 피로매개변수에 비하여 낮은 것으로 나타났다. SWT 피로매개변수가 0.92로 가장 높았으며 유효변형률의 경우 상관계수가 0.91로 높게 나타났다. SWT 피로 매개변수로 본 연구에서 수행한 십자형 인장 시험편과 동일한 재료의 기계적 접합부의 피로수명은 다음과 같은 식으로 표현이 가능하다.
- 5는 펀치 작용하중을 74 kN으로 제작한 4점의 접합부로 구성된 시험편을 3 mm/min 의 속도로 인장실험을 실시하여 인장 작용하중과 변위를 나타내고 있다. 이 실험 결과 2787 N에서 정점을 이루고 4개 가운데 1개의 접점부가 분리 파단되며 급격히 하중이 저하한 후에 시험기에서 가해지는 변위증가로 다시 하중이 증가하여 2213 N에서 또 하나의 접합부가 파단 됨을 알 수 있다. 마지막으로 1134 N의 작용하중에서 정점을 이루며 급격히 하중이 0이 됨을 알 수 있다.
- 예를 들어 Carboni 등3)은 기계적 접합부의 인장-전단 시험편에 대한 피로거동을 연구하였다. 이들 결과에 따르면 피로한도는 최대 강도의 50%로 점용접부의 최대강도대비 피로강도보다 높다고 발표하였다. 한편 Sawhill 등4)은 기계적 접합부의 정적인 장강도는 점용접부에 비하여 매우 낮으나 점용접부의 너겟 부위가 매우 날카로운 균열과 같은 거동을 하나 기계적 접합부는 이에 해당하는 부위가 균열처럼 예리하지 않아 결과적으로 장 수명 피로 구간에서는 점용 접부의 피로강도에 접근한다고 발표하였다.
- 9, 10, 11, 12는 각각 von Mises 응력, 최대 주응력, 유효변형률, SWT 피로매개 변수 항으로 표현한 그래프이다. 이들 그래프를 통하여 von Mises 응력과 최대 주응력은 상대적으로 상관관계 계수(R)가 각각 0.86, 0.80으로 유효변형률, SWT 피로매개변수에 비하여 낮은 것으로 나타났다. SWT 피로매개변수가 0.
- 특히 펀치 작용하중이 74 kN 이상인 경우 거시적으로 상판과 하판의 틈새가 거의 없는 것으로 나타났다. 인장실험 결과 펀치 작용하중은 하중이 증가하면 인장하중도 증가하고 74 kN 이후에는 다시 감소하는 것으로 나타나 정해진 판 두께(= 0.8 mm) 와 펀치직경(= 5.4mm) 에서의 SPCC 시험편에 대한 최적의 펀치 작용하중은 74 kN 으로 나타났다. Fig.
후속연구
- 따라서 기계적 접합부의 피로수명을 평가하기 위해서는 von Mises 응력이나 최대 주응력보다는 유효변형률이나 SWT 피로매개변수를 적용하여 평가하는 것이 바람직하다고 판단된다. 그러나 기계적 접합부의 피로수명을 평가하기 위해서는 인장-전단과 같은 다양한 하중 조건과 이종재료의 접합부와 같은 다양한 조건에서의 피로실험 데이터를 확보하여 이들 매개변수의 유효성을 평가하는 것이 추후 필요하다.
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