[논문]박판판재 경화를 고려한 다이 캠 드라이브의 구조해석 최적화에 대한연구

이종배; 김선삼; 우창기

doi:10.5762/kais.2015.16.9.5769

박판판재 경화를 고려한 다이 캠 드라이브의 구조해석 최적화에 대한연구
A Study on the Structure Analysis Optimization of Die Cam Drive Considering the Thin Plate Hardening 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.16 no.9, 2015년, pp.5769 - 5777

이종배 (인천대학교 기계공학) , 김선삼 (인천대학교 기계공학) , 우창기 (인천대학교 기계공학)

초록
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프레스 가공에서 포밍이나 굽힘 등의 변형에 따라 판재는 가공경화를 발생하게 되며, 판재 경화와 가스 스프링 반력에 의한 캠 성형 과정에서 캠 및 판재의 변형과 미 성형이 발생하게 된다. 본 연구는 알루미늄 판재 성형 과정에서 판재경화를 고려한 응력, 변형이 주어진 판재 물성치와 캠 성형 압력에 맞게 입력 값으로 처리하였다. 그리고 유한요소 해석툴인 Hyperstudy와 Abaqus 연동으로 캠 형상을 비선형적으로 형상 최적화 해석을 수행 했다. 그 결과 판재의 변형이 제거 되면서 허용되는 최대, 최소 응력 범위와 최소 변형을 갖는 조건하에서 캠 형상을 최적화 하였다. 따라서 해석 결과를 통해 응력-변형 곡선과 응력-두께의 정규 분포도를 얻을 수 있었고, 또한 Iteration 처리로 판재 경화와 가스 스프링 반력을 고려한 다이캠 두께에 맞는 응력과 변형에 대한 최적화 형상을 얻을 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

According to the forming or bending deformation in the press die, the thin plate occurs a work-hardening, the sheet hardening and cam unit's deformation causes incomplete forming during the cam molding process by the reacting spring forces. This study treated the input parameters of the stress and strain as given properties and also used Cam forming pressure considering the sheet hardening in the forming process of the aluminum sheet. The Hyperstudy are operated be linked with the Abaqus of the finite element analysis tool and the shape of Cam were carried out with non-linear shape optimization analysis. As a result removing the deformation of plate, the cam shape were optimized under conditions reduced deformation, having a minimum stress range and the minimum deformation. Therefore, a stress-strain curve and a normal distribution of stress-thickness can be obtained and optimization could be obtained for the shape of the stress and strain on the die plate hardened cam considering the thickness and reaction force of gas spring as iteration process.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 형상 최적화 해석을 구현하였다. 해석은 비선형 유한요소 해석을 통해 이루어졌고, 상용해석 프로그램인 Abaqus/Explicit 모드에서 Hyperstudy를 연동하여 사용하였다.
일반적인 판재의 경우 하드닝(Hardening)을 풀림처리 해서 성형하거나 아니면 열간 성형을 해야 경화 현상을 방지할 수 있다[2]. 이러한 경화 현상을 고려하여 풀림이나 열간성형을 고려하지 않고 허용되는 압력과 주 어진 부피 범위에서 최적화를 활용해서 변형되는 캠 두께를 응력과 변위에 따라 최적화로 경화현상의 변형을 방지하는 가장 이상적인 결과를 만들어서 초기모델과 최적화된 모델을 각각의 형상부피와 응력과 변형을 비교 분석하여 그 결과를 최종적인 해석모델로 선택하는 최적화 해석문제를 연구하고자 한다.

가설 설정

Fig. 21과 같이 최적화된 캠 드라이브의 형상의 변형 량은 해석 전 (a)의 형상부피가 12,775mm³이고 해석 후 (b)의 형상부피가 16,675mm³이다. 따라서 3,900mm³인 16.

제안 방법

Hypereditor상에서 형상변수들을 변수로 인식하도록 처리했고 그 결과를 Tpl 파일로 만들어서 Hyperstudy가 인식하도록 했다. 내부 알고리즘 방식은 파라메트릭 최적화 기법 선택해서 설계변수의 변화에 따른 응답의 경향을 파악하기 위해 먼저 DOE를 이용해서 민감도를 먼저 수행했다
Hyperstudy와 Abaqus 솔버를 Interface하고 1차 해석 결과를 통해 ODB 파일에서 데이터를 추출 하였다. CAE 모델과 같은 두께, 형상 설계변수, 재료속성은 모델출력 응답을 변경할 수 있다.
Hypereditor상에서 형상변수들을 변수로 인식하도록 처리했고 그 결과를 Tpl 파일로 만들어서 Hyperstudy가 인식하도록 했다. 내부 알고리즘 방식은 파라메트릭 최적화 기법 선택해서 설계변수의 변화에 따른 응답의 경향을 파악하기 위해 먼저 DOE를 이용해서 민감도를 먼저 수행했다
따라서 위의 알고리즘 중에 DOE를 수행해서 민감도를 분석하고 주어진 범위 안에서 변수를 랜덤하게 입력 처리되는 스토캐틱방식에 따라 최종적으로 수행했다. 그 처리하는 알고리즘은 Fig.
최적화 정식화의 목적함수 질량과 부피를 최적화 볼륨이나, 응력 값을 최적화 하였다. 또한 제약조건, 밀도나 치수, 형상에 미칠 변수 등을 고려하였다. 최대응력이 조건 설계변수 Design variable 최적화 하면서 측면 캠 드라이브가 최대 변위가 20mm이상 발생하지 말아라는 것과 제약조건이 Constrain값 120MPa 이상 발생하지 말라는 것을 제한하는 것이고, 또한 등가 응력보다 초과 되는 부분을 제한하는 것이다.
본 논문에서는 형상최적화를 위해 모핑용 변수를 Fig. 14와 같이 변수를 각각 Sh1, Sh2, Sh3로 설정했다.
플랜지(Flange) 공정 중에 스프링백 탄성이 발생 하지만 일부의 경우에는 금속의 바우싱거효과로 인해 경화(Hardening) 거동이 적용 되었다[7]. 스프링백의 수치 결과를 바우싱거효과의 응력과 변형 응답의 두 가지 현상을 특징으로 한다. 하나는 응력반전 및 기타의 초기 단계에서 부드러운 과도응력과 변형률 응답인 과도연화 후 나타나는 영구연화를 개략적도를 Fig.
최적화 정식화의 목적함수 질량과 부피를 최적화 볼륨이나, 응력 값을 최적화 하였다. 또한 제약조건, 밀도나 치수, 형상에 미칠 변수 등을 고려하였다.
DOE 실행이 완료되면, 제어 요소 현실에서 제어할 수 있는 설계 변수생산 환경을 제공한다. 파라메트릭 스터디를 통해 설계변수 영향도를 분석하였으며 수치적 분석을 통해 목적함수에 적합한 최적화 기법을 선정하였다.

대상 데이터

상형은 판재를 잡아주는 블랭크홀더 역활을 한다. 물성치는 철(Steel)로 지정하고 판재는 0.6mm인 알루미늄 판재로 했다. 하형 다이는 리지드바디(Regidbody)로 처리했다.

데이터처리

최적화 기반으로 설계가 진행됨에 따라, 변형이 포함될 설계 문제에 대한 해결은 더욱 중요 해지게 된다. 따라서 최적의 설계에서 제약 없이 가장 안전하게 만족되면서, 실패의 댓가가 큰 경우 중요한 변화에 대한 신뢰성과 견고성이 요구될 때 변이 변동을 감소시키고 신뢰를 향상시키기 위해 통계적인 방법으로 사용되는 스토케스틱(Stochastics) 최적화 방식으로 수행 했다[6].
본 연구에서는 형상 최적화 해석을 구현하였다. 해석은 비선형 유한요소 해석을 통해 이루어졌고, 상용해석 프로그램인 Abaqus/Explicit 모드에서 Hyperstudy를 연동하여 사용하였다.

성능/효과

1. 일반적으로 각종구조물을 최적으로 설계하기 위해서는 수개의 목적 함수를 고려해야 하는데 이를 위해 Fig. 17과 같은 DOE 민감도에 의한 실험 계획법으로 1차로 걸러진 자료를 Fig. 20인 스토케틱으로 최적자료의 결과를 정규분포 안으로 가져올 수 있었고 그 결과는 유용했었다.
2. 형상을 최적화 하면서 형상에 맞지 않은 변수의 입력 값과 응답 값의 민감도에 따라 부분적으로 최적 해로의 수렴성이 좋지 않게 나왔지만 그러나 대부분의 문제에서는 Fig. 20과 같이 매우 좋은 수렴성을 보였다.
3. 다중목적함수 최적형상 두께는 결과적으로 초기 값 대비 17.5mm로 결정할 수가 있었다. 판재의 변형 없는 물성치를 얻을 수가 있었다.
5. 판재 경화에 의한 캠 드라이브 변형이 형상 최적화로 캠 변형이 제거되고 판재가 정상적으로 플랜지 성형되면서 캠 드라이브의 최적 형상을 얻을 수 있었고 정밀 성형성에서 밀착도가 초기모델 보다 약 38% 향상되었다.
21과 같이 최적화된 캠 드라이브의 형상의 변형 량은 해석 전 (a)의 형상부피가 12,775mm³이고 해석 후 (b)의 형상부피가 16,675mm³이다. 따라서 3,900mm³인 16.7% 형상부피가 증가된 최적화 형상을 확보할 수가 있었다.
Design_space 안에 들어 있는 (b)는 최적의 조건에 부합한 형상을 유지하고 있고, (c)는 과대형상으로 비정상적으로 형상부피가 과도하게 비정상적으로 커져있다. 따라서 스토케스틱으로 30개를 출력된 결과 중에서 최적의 조건과 형상을 가진 것은 3개정도 나타났다. 샘플링 모집단의 결과로 정규분포 확률 표본들의 정규분포인 Design space 원의 영역에서 검출했을 때 불능 형상을 제외한 과소, 과대형상 그리고 최적형상으로 3가지로 나눌 수 있었다.
따라서 스토케스틱으로 30개를 출력된 결과 중에서 최적의 조건과 형상을 가진 것은 3개정도 나타났다. 샘플링 모집단의 결과로 정규분포 확률 표본들의 정규분포인 Design space 원의 영역에서 검출했을 때 불능 형상을 제외한 과소, 과대형상 그리고 최적형상으로 3가지로 나눌 수 있었다.

참고문헌 (8)

Junho, Jang. "Nonlinear Analysis and Optimum Design", Keimyung University press , pp.41-42, 2008
Lee, M., Kim, D., Kim, C., Wenner, M. L., Wagoner, R. H. and Chung, K., 2005, "Spring-Back Evaluation of Automotive Sheets Based on Isotropic-kinematic Hardening Laws and Non-Quadratic Anisotropic Yield Functions, Part II : Characterization of Material Properties," International Journal of Plasticity, Vol. 21, pp. 883-914. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.ijplas.2004.05.015

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Dassault System Simulia, "Abaqus/Explicit Advanced Topics Manual", pp. 321-332, 2013.
Altair Engineering, inc. "HyperStudy Introduction Manual ver12", pp. 295-311,2014.
Altair Engineering, inc. "HyperStudy Introduction Manual", pp. 39-71, 2010.
Yoshida, F. and Uemori, T., 2003, "A Model of Large-Strain Cyclic Plasticity and Its Application to Springback Simulation," International Journal of Mechanical Sciences, Vol. 45, pp. 1687-1702. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2003.10.013

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Yoshida, F, Uemori, T. and Fujiwara, K, 2002, "Elastic-lastic Behavior of Steel Sheets under Inplane Cyclic Tension-ompression at Large Strain," International Journal of Plasticity, Vol. 18, pp. 633-659. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/S0749-6419(01)00049-3

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Dassault System Simulia, "Abaqus Manual Metal Inelasticity in Abaqus", pp. 37-63, 2015.

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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