[논문]유한요소해석에 의한 압입 접촉손상 특성 연구

조재웅; 김춘식; 이희성; 김영춘

doi:10.5762/kais.2014.15.10.5974

유한요소해석에 의한 압입 접촉손상 특성 연구
Study of the Damage Property of a Contacted Indent by Finite Element Method 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.15 no.10, 2014년, pp.5974 - 5979

조재웅 (공주대학교 기계자동차공학부) , 김춘식 (태성전장주식회사) , 이희성 (태성전장주식회사) , 김영춘 (공주대학교 기계자동차공학부)

초록
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압입 방식으로서 경량화된 부품이 매우 균질한 정밀도로 생산이 되며 프레스의 기술이 향상되고 있다. 압입 방식으로 조립하였을 시 핀과 구멍사이에는 압축력에 의한 변형력이 발생되고 접촉면이 손상을 입는다. 따라서 본 연구에서는 CATIA 프로그램을 이용하여 3D 모델링하였으며, ANSYS 프로그램을 통하여 압입 접촉된 평면에서 손상평가를 하였다. 해석결과, 핀이 들어갈 때 PCB판에 작용하는 하중은 약 21.3N인 것으로 확인되었으며, PCB판이 Pin에서 빠져나올 때의 하중은 약 19.24N으로 나타났다. 또한 구조 해석결과, Pin 1이 본 연구 모델의 모든 부품들 중에서 가장 최대응력이 많이 발생하므로, 대표적으로 Pin 1의 최대 등가응력이 192.96MPa로 나타났다. 압입 접촉 손상 특성을 규명하고 본 연구결과를 실제의 압입 공정의 설계에 응용함으로서 그 파손을 방지하고 내구성을 평가할 수 있다고 사료된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Lightweight parts with very uniform precision are manufactured by an indent method and the press technique has been improved. Upon assembly with an indent method, a deformation force due to the compressive force occurs between the pin and hole and the contact surface is affected by damage. Therefore, a 3 dimensional model was made using the CATIA program and the damage on the surface contacted with indent was estimated through the ANSYS program in this study. In the analysis result, the maximum load applied at the PCB plate was 21.3 N when the pin goes through the PCB plate. When PCB plate came out of the pin, the maximum load was 19.24 N. As the structural analysis result, the maximum equivalent stress of Pin 1 was 192.96MPa because the maximum stress occurs at Pin 1 among all parts of this study model. By examining the damage property of the contacted indent and applying this study result to the design of real indentation, the damage can be prevented and the durability can be estimated.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 압입 모델에 접촉된 평면에서 유한요소해석을 통하여 손상평가를 하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.

제안 방법

이에 따라 본 연구는 CATIA 프로그램을 이용하여 3D 모델링하였으며, ANSYS 프로그램을 이용하여 유한요소 해석을 수행하였다. 이를 통해서, 압입 접촉된 평면에서 손상평가를 하였다. 본 연구의 결과를 종합하여 실제 압입 공정의 설계에 응용한다면 그 파손방지 및 내구성을 검토, 예측하는데 활용이 클 것으로 사료된다.
이때 균열크기와 압입하중 등의 관계를 이용해 취성 재료의 파괴인성을 예측하기 위한 많은 연구가 수행되고 있다[3-6]. 이에 따라 본 연구는 CATIA 프로그램을 이용하여 3D 모델링하였으며, ANSYS 프로그램을 이용하여 유한요소 해석을 수행하였다. 이를 통해서, 압입 접촉된 평면에서 손상평가를 하였다.

대상 데이터

1에 나오며, 모델링의 각 부품의 명칭을 도시하였다. Fig. 1에 보면 본 연구의 모델링은 핀(3개), Hole Pad(3개), PCB판(1개)으로 조립하여 되었다. 또한 Hole Pad는 PCB판과 붙여있으며, 핀과 Hole Pad는 떨어져 있는 상태이다.
또한 Hole Pad는 PCB판과 붙여있으며, 핀과 Hole Pad는 떨어져 있는 상태이다. 본 연구의 모델의 해석상 절점 수는 227201개와 요소 수는 56687개로 하였다. 또한 Hole Pad와 핀이 순동으로 구성되고 PCB판은 fr-4로 구성되었으며, 순동과 fr-4의 물성치는 Table 1에 나타내었다.

성능/효과

1. 핀이 들어갈 때 PCB판에 작용하는 하중은 약 21.3N인 것을 확인하였으며, PCB판이 Pin에서 빠져나올 때의 하중은 약 19.24N로 나타났다.
2. 구조해석결과, Pin 1의 최대 변형량은 0.07387mm로 나오고 Pin 2의 최대 변형량은 0.07723mm로 나오고 Pin 3의 최대 변형량은 0.073254mm로 나오고 Hole pad 1의 최대 변형량은 0.01487mm로 나오고 Hole pad 2의 최대 변형량은 0.01325mm로 나오고 Hole pad 3의 최대 변형량은 0.014372mm로 나오고 PCB의 최대 변형량은 0.01142mm로 나온 것을 확인하였다.
3. 구조 해석결과, Pin 1이 본 연구 모델의 모든 부품들 중에서 가장 최대응력이 많이 발생하므로, 대표적으로 Pin 1의 최대 등가응력이 192.96MPa로 나타났다. Pin 1의 최대 등가응력은 순동의 항복응력보다 크지만 붉은색 부위는 별로 없으며, 대부분 부위의 등가응력은 항복응력보다 작은 것으로 확인하였다.
7016s에서 최대 등가응력을 나타났고 최대 변형량을 나타난 시점과 같다. 그리고 그래프를 보면 PCB는 밑으로 내려갈 때 등가응력을 커지고 PCB는 원래 있는 대로 되돌아가면 등가응력을 사라진 것을 확인하였다. 또한 Pin 2, Pin 3은 Pin 1과 비슷한 형상을 나왔으므로 Pin 1의 등가응력결과만 서술하였다.
전체적으로 보면 3개 Hole pad는 모두 밑의 부분에서 최대 변형량을 발생하였다. 그리고 유한요소 해석에서 3개 핀은 모두 같은 시점 0.56875에서 최대 변형량을 발생한 것을 확인하였으며, 본 논문에서 따로 Hole pad 2와 Hole pad 3의 변형량-시간 그래프를 나타내지 않는다.
전체적으로 보면 3개 핀은 모두 가운데 부분에서 최대 변형량을 발생하였다. 그리고 유한요소해석에서 3개 핀은 모두 같은 시점 1.7016에서 최대 변형량을 발생한 것을 확인하였으며, 본 논문에서 따로 Pin 2와 Pin 3의 변형량-시간 그래프를 나타내지 않는다.
56875s에서 Hole pad 1의 최대 변형량을 나타난 것을 알 수 있었다. 전체적으로 보면 3개 Hole pad는 모두 밑의 부분에서 최대 변형량을 발생하였다. 그리고 유한요소 해석에서 3개 핀은 모두 같은 시점 0.

후속연구

4. 본 연구의 결과를 종합하여 실제 압입 공정의 설계에 응용한다면 그 파손방지 및 내구성을 검토, 예측하는데 활용이 클 것으로 사료된다.
이를 통해서, 압입 접촉된 평면에서 손상평가를 하였다. 본 연구의 결과를 종합하여 실제 압입 공정의 설계에 응용한다면 그 파손방지 및 내구성을 검토, 예측하는데 활용이 클 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	압입이란 무엇인가?	철도차량 차축은 안전에 중요한 역할을 하기 때문에 파손을 방지하기 위하여 프레팅 손상에 대한 연구가 많이 진행되었다. 최근에는 압입 공조는 자동차 부품, 전기전자 부품, 사무용품등 거의 모든 산업에 적용되며 부품의 품질 및 생산성에 필수적인 요소이다[1,2] 이중 핀을 이용하면서 체결하는 방식으로 압입이라는 방식은 핀과 구멍의 마찰에 의해 달성 되는 체결 방식이다[5,6]. 압입 방식으로 조립하였을 시 핀과 구멍사이에는 압축력에 의한 변형력이 발생하고 이 변형력에 의해 발생되는 접촉면의 손상 특성을 가진다.
	철도차량 차축 또는 기계구조물의 커플링 등에 프레팅 손상이 발생할 경우 어떤 문제가 발생하는가?	철도차량 차축 또는 기계구조물의 커플링 등과같이 축에 허브(hub)가 압입 되어 있는 경우 압입축의 접촉끝단에는 프레팅(fretting)이 발생하며, 프레팅에 의해 피로 강도가 크게 저하된다. 철도차량 차축은 안전에 중요한 역할을 하기 때문에 파손을 방지하기 위하여 프레팅 손상에 대한 연구가 많이 진행되었다.
	압입 방식으로 조립 시 어떤 손상이 발생하는가?	최근에는 압입 공조는 자동차 부품, 전기전자 부품, 사무용품등 거의 모든 산업에 적용되며 부품의 품질 및 생산성에 필수적인 요소이다[1,2] 이중 핀을 이용하면서 체결하는 방식으로 압입이라는 방식은 핀과 구멍의 마찰에 의해 달성 되는 체결 방식이다[5,6]. 압입 방식으로 조립하였을 시 핀과 구멍사이에는 압축력에 의한 변형력이 발생하고 이 변형력에 의해 발생되는 접촉면의 손상 특성을 가진다. 실제적으로 생산하는 경우에 구형 혹은 평저형 압입자를 이용할 경우 원뿔형 균열이 발생될 수 있다.

참고문헌 (6)

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S. N. Park, "Development Trend of Car Seat Technology", Journal of the Korea Society of Automotive Engineers, Vol. 31, No. 4, pp. 26-33, 2009.
Lee, Joon-Seong, "Analysis for Defect Evaluation of Pipes in Nuclear Power Plant", Journal of KAIS, Vol. 14, No. 7, pp. 3124-3126, 2013. DOI: http://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2013.14.7.3121

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J. H. Kim, D. U. Park, J. H. Lee, M. K. Kim and W. S. Yoo, "Evaluation of Ride Comfort considering Seat Vibration", Journal of the Korea Society of Automotive Engineers, Vol. 1, No. 2, pp. 535-987, 2002.
H. Y. Kim, J. M. Kim, J. G. Choi, K. T. Lee and D. J. Lee, "Structural Analysis for the Development of Round Recliner", Journal of the Korea Society of Automotive Engineers, Vol. 2, pp. 1361-1366, 2003.
J. U. Cho, K. S. Kim, D. S. Choi, S. H. Kim, S. O. Bang and C. K. Cho, "Development of plastic suspension system for automotive seat", Journal of KAIS, Vol. 12, No. 3, pp. 1091-1097, 2011. DOI: http://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2011.12.3.1091

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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