[논문]철근 밴딩기 롤러의 피로파괴 CAE 해석

신유정; 최창환; 이성건; 김진호

doi:10.14775/ksmpe.2015.14.2.075

철근 밴딩기 롤러의 피로파괴 CAE 해석
Fatigue CAE Analysis of a Rebar Bending Machine Roller 원문보기

한국기계가공학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, v.14 no.2, 2015년, pp.75 - 80

신유정 (영남대학교 기계공학과) , 최창환 (영남대학교 기계공학과) , 이성건 , 김진호 (영남대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The rebar factory production process involves the repetitive bending of rebars. Therefore, the fatigue failure of the rebar bending machine needs to be considered. In this paper, fatigue analysis of the rebar machine was performed using the commercial software DAFUL, which is based on MFBD (Multi Flexible Body Dynamics). The rotating roller, fixing roller and rebar were modeled by the finite element method. The rebar bending process is simulated and the mechanical stresses on the rollers are calculated. Structural analysis of the rebar bending roller was performed using the maximum bending angle of $180^{\circ}$ and maximum processing rebar diameter of ${\Phi}19mm$. Then, for fatigue analysis, the S-N curve of STD-11 was. The fatigue life of rollers is estimated by modified Goodman diagram. The fatigue life range of the rotating roller is $2.99961{\times}10^5{\sim}1{\times}10^8$ while that of the fixed roller is $2.53142{\times}10^5{\sim}1{\times}10^8$. STD-11 has an infinite life cycle after $1{\times}10^8$. Therefore, the rollers of the rebar bending machine may be expected to suffer fatigue failure. Thus, we performed a parameter study of fatigue life according to various axial radii of the fixed roller and rotating roller, and redesign of the rebar bending machine. Consequently, the axial radius of the fixed roller and rotating roller was found to be 35~37.5mm and 30~35mm, respectively, and an infinite life cycle was confirmed at these.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 구조물의 재료인 철근에 성능에 관한 연구는 진행되었으나[4] 철근을 생산하는 철근 밴딩기에 대한 피로파괴 연구는 상당히 불충분한 실정이다 본 연구에서는 피로파괴에 대한 연구가 불충분한 철근 밴딩기에 피로수명을 파악하고 형상을 다양하게 변화시키는 최적설계를 통해 철근밴딩기의 피로수명을 향상시키고자 한다 그래서 본 연구에서는 피로수명 파손 및 그 내구성의 해석결과들에 대한 수렴성이 좋고 효율적인 해석 결과를 얻어 낼 수 있는 CAE(Computer Aided Engineering)를 이용한 피로파괴 해석을 하고자 한다.

제안 방법

CAE 프로그램 중 구조동역학 상용 소프트웨어를 사용하였다 본 논문에서는 CATIA를 이용한 기존 철근 밴딩기의 설계와 모델링을 해보고 철근굽힘시 롤러의 축이 받는 반복적 피로도를 DAFUL로 해석하였다[5].
5mm식 증가하는 4가지의 하위 케이스로 나눠서 시뮬레이션을 진행하였다 접촉조건과 재질은 초기조건과 동일하게 하였다. Case1과 반대로 Case2에서는 Table 4에서와 같이 회전롤러의 축 반경 15mm, 롤러의 반경 25mm 그리고 고정롤러의 반경 45mm 사이즈를 고정하고 고정롤러의 축만 15mm에서부터 2.5mm식 증가하는 4가지 하위 케이스로 나눠 동일한 조건으로 시뮬레이션을 진행하였다.
CAE 프로그램 중 구조동역학 상용 소프트웨어를 사용하였다 본 논문에서는 CATIA를 이용한 기존 철근 밴딩기의 설계와 모델링을 해보고 철근굽힘시 롤러의 축이 받는 반복적 피로도를 DAFUL로 해석하였다^[5]. DAFUL의 피로해석은 구조해석 결과를 기반으로 재질에 대한 S-N 선도 (응력-수명 선도) 정보를 입력하여 피로현상을 해석한다 따라서 피로해석에 앞서 회전 롤러 고정롤러 그리고 철근을 유한요소 모델링하여 벤딩 공정을 시뮬레이션하여 실제 벤딩 시 롤러가 받는 응력을 계산하였다.
DAFUL의 피로해석은 구조해석 결과를 기반으로 재질에 대한 피로데이터를 입력하여 피로현상 대해 유한요소해석을 한다 따라서 철근 밴딩기축에 대한 구조해석은 최대 굽힘 각도 180°와 최대 가공철근 직경인 Ф19mm 를 이용하였다.
DAFUL의 피로해석은 구조해석 결과를 기반으로 재질에 대한 피로데이터를 입력하여 피로현상 대해 유한요소해석을 한다 따라서 철근 밴딩기축에 대한 구조해석은 최대 굽힘 각도 180°와 최대 가공철근 직경인 Ф19mm 를 이용하였다. Table 2는 2개의 축에 대한 구조해석결과를 보여준다 구조해석 결과 최대응력은 회전롤러는 919MPa, 고정롤러는 929MPa로 재질로 선택한 STD-11의 항복점 보다 낮기 때문에 영구변형에 대한 위험은 없는 것으로 확인하였다 하지만 철근공장가공화의 특성상 장기간 다량의 철근을 가공하기 때문에 2개의 축은 반복하중이 받기 때문에 피로파괴에 대한 분석도 필요하였다 따라서 이미 수행한 구조해석 결과를 이용하여 피로해석을 진행하였다.
Table 3과 Table 4의 값에서 보이듯이 각각 회전롤러와 고정롤러의 축 반경 사이즈 증가함에 따라 축이 받는 응력값이 감소하는 경향과 롤러 축의 피로수명이 증가하는 것을 확인하였다. Table 3에서와 같이 고정롤러의 경우는 3가지 하위 실험 점들을 추가하여 해석하였다 초기 모델에서 고정롤러 축 반경을 최대 40mm까지 증가시킨 결과 무한 수명을 가지는 반경의 크기는 35mm ~37.5mm 사이 부터인 것을 확인하였다 회전롤러의 경우 롤러 축 반경을 최대 22.5mm까지 증가시켰지만 무한 수명에 도달하지 못했다 그래서 회전롤러의 크기를 초기모델의 고정롤러의 반경의 크기와 동일한 45mm로 재설계하여 추가적으로 해석을 진행하였다.
롤러의 축 반경의 크기가 롤러의 피로수명에 미치는 영향을 보기위해서 두 가지의 케이스로 나눠서 시뮬레이션을 진행하였다 먼저 첫 번째 케이스는 Table 3에서와 같이 초기모델링 사이즈인 고정롤러의 축 반경 15mm, 롤러의 반경 45mm 그리고 회전롤러의 반경 25mm 사이즈를 고정하고 회전롤러의 축만 15mm에서부터 2.5mm식 증가하는 4가지의 하위 케이스로 나눠서 시뮬레이션을 진행하였다 접촉조건과 재질은 초기조건과 동일하게 하였다. Case1과 반대로 Case2에서는 Table 4에서와 같이 회전롤러의 축 반경 15mm, 롤러의 반경 25mm 그리고 고정롤러의 반경 45mm 사이즈를 고정하고 고정롤러의 축만 15mm에서부터 2.
반복적인 철근 굽힘 가공으로 규칙적인 피로하중을 받는 철근 밴딩기 롤러의 피로파괴 손상여부와 피로 수명을 CAE해석을 진행하여 분석하였다 이를 위해 유한요소 모델링을 제안하였고 회전롤러 고정롤러의 축 반경을 달리하여 구조해석과 피로해석을 동시에 수행하였다 본 연구를 통하여 얻은 주요한 결론은 다음과 같다.

대상 데이터

본 논문은 국토교통과학기술진흥원에서 지원하는 2013년도 첨단도시개발사업(12 첨단도시 C21)으로 수행되었다.

이론/모형

기 위해서는 회전롤러의 축의 피로한도는 무한 수명 구간에 들어가야 한다. 해석 방법은 Modified Goodman Method를 선택하여 피로현상에 영향을 많이 미치는 평균응력을 고려하였다^[6].

성능/효과

1. 구조해석 결과 최대응력은 재질로 선택한 STD-11의 항복점 보다 낮기 때문에 영구변형에 대한 위험은 없는 것을 확인하였다.
2. 피로파괴 여부에 대한 피로해석을 수행한 결과 회전롤러와 고정롤러 모두 수명주기의 최대값은 1×108cycle인 무한 수명구간에 들어가 피로파괴에 대한 위험성이 없었지만 최소값은 회전롤러와 고정롤러 각각 2.99961×105, 2.53142×105으로 무한수명구간인 1×108cycle 이상을 만족하지 못하였기에 국부적으로 피로파괴가 일어날 가능성이 많다고 예측 할 수 있었다.
3. 따라서 철근 밴딩기의 롤러 축 반경의 증가에 따른 피로수명에 대한 파리미터 연구를 통해 고정롤러는 35~37.5mm의 축 반경에서 무한수명을 가지는 것을 확인하였다 하지만 회전롤러의 경우초기 철근 밴딩기 형상에서 무한 수명을 만족하지 못하였기에 형상을 재설계함으로서 30~35mm의 축 반경에서 무한 수명을 가지는 것을 확인하였다. 하지만 각 롤러의 반경 증가에 따른 롤러 각각의 주효과만을 연구하였기에 두 롤러를 동시에 증가하는 상황에 따른 교호작용을 고려한 향후 철근 밴딩기 롤러의 무한 수명에 대한 피로파괴 최적설계가 필요하다.
Table 3과 Table 4의 값에서 보이듯이 각각 회전롤러와 고정롤러의 축 반경 사이즈 증가함에 따라 축이 받는 응력값이 감소하는 경향과 롤러 축의 피로수명이 증가하는 것을 확인하였다. Table 3에서와 같이 고정롤러의 경우는 3가지 하위 실험 점들을 추가하여 해석하였다 초기 모델에서 고정롤러 축 반경을 최대 40mm까지 증가시킨 결과 무한 수명을 가지는 반경의 크기는 35mm ~37.

후속연구

53142×10⁵ ~ 1×10⁸이다 즉 회전롤러와 고정롤러의 모두 수명 주기의 최대값은 무한 수명구간에 들어가 피로파괴에 대한 위험성이 없지만 최소값은 요구조건인 1×10⁸cycle 이상의 구간을 만족하지 못하였다. 도출한 결과 값은 무한한 수명을 가지는 영역이 아닌 일정 주기 이후에 파괴가 되는 영역에 있는 것을 확인 할 수 있다 따라서 파라미터 연구와 새로운 다자인설계를 통해 무한 수명을 가지는 회전롤러와 고정롤러의 축에 대한 재설계가 필요하다.
5mm의 축 반경에서 무한수명을 가지는 것을 확인하였다 하지만 회전롤러의 경우초기 철근 밴딩기 형상에서 무한 수명을 만족하지 못하였기에 형상을 재설계함으로서 30~35mm의 축 반경에서 무한 수명을 가지는 것을 확인하였다. 하지만 각 롤러의 반경 증가에 따른 롤러 각각의 주효과만을 연구하였기에 두 롤러를 동시에 증가하는 상황에 따른 교호작용을 고려한 향후 철근 밴딩기 롤러의 무한 수명에 대한 피로파괴 최적설계가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	철근공장가공화 방식은 어떤 문제를 야기하는가?	철근의 가공이 현장에서 직접 손수 가공하던 현장가공방식에서 철근가공업체가 주문받은 철근을 대량 가공하여 현장으로 옮기는 철근공장가공화방식으로 바뀌어가고 있다 철근공장가공화 방식을 통해 현장가공방식에 비해 정확한 가공과 높은 생산성 등 장점을 가져왔다 하지만 철근공장가공화 방식의 특성상 장시간 다량의 철근을 가공함에 이에 따라 철근 밴딩기에 피로가 누적되고 있다.
	제품 및 머신의 내구성능을 중요시하게 됨으로써 어떤 수요가 급증하였는가?	최근 자동차 업계를 비롯해 다양한 제조업에서 제품 및 머신의 내구성능을 중요시하게 되었다. 이에 따라 머신의 각종 부품의 내구수명 해석 및 설계에 대한 수요가 급격히 증가하고 있다[1~2] 그래서 철근 밴딩기 역시 피로파괴를 고려하는 피로해석과 철근 밴딩기의 형상 최적설계에 관한 연구가 필요한 시점이다 특히 철근 밴딩기의 회전롤러 및 고정롤러의 축은 철근생산의 안전성과 철근밴딩기 수명에 영향을 끼치는 핵심부품으로써 높은 신뢰성이 요구되는 부품이다 이러한 철근 밴딩기의 피로 누적은 지속적인 하중이 원인이 될 수 있다 재료의 피로파괴 인성치와 하중이 집중되는 특정지점의 응력분포에 주안점을 둔 피로파괴역학의 개념을 도입함으로써 접근이 가능하다[3].
	철근의 가공방식이 어떻게 바뀌어가고 있는가?	철근의 가공이 현장에서 직접 손수 가공하던 현장가공방식에서 철근가공업체가 주문받은 철근을 대량 가공하여 현장으로 옮기는 철근공장가공화방식으로 바뀌어가고 있다 철근공장가공화 방식을 통해 현장가공방식에 비해 정확한 가공과 높은 생산성 등 장점을 가져왔다 하지만 철근공장가공화 방식의 특성상 장시간 다량의 철근을 가공함에 이에 따라 철근 밴딩기에 피로가 누적되고 있다.

참고문헌 (6)

Kim. S. Y, Kweon. S. U, Park. D. K, Chun. D. H, Chung. I. S, "Durability Test and Fatigue Analysis of Independent Suspension Knuckle for Commercial Vehicle", 2011 KSAE Conference, pp.1005-1010, 2011
Kim. H. H, Yoon. S. H, "Vibration Characteristic and Fatigue Analysis of Engine Mount Bracket", 2003 KSAE Annual Conference, No. 2, pp.1226-1232, 2003
Cho. J. U, Han. M. S, "Analysis on Fatigue Fracture at Cam Shaft", Journal of Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 7, No. 4, pp102-108, 2008
Choi. C. H, Kulinsky. L, Jun. J. S, Kim. J. H, "Numerical Study of the Spring-Back Phenomenon in Bending with a Rebar Bending Machine", Advances in Mechanical Engineering, Vol. 2014, Article ID 959207, 10 pages, 2014
Lee. S. P, Cho. Y. G, Jang. H. S, Kim. B. C, Lee. W. Y, "Strength Analysis of Automotive Wheel Bearing using Multibody Dynamics", 2010 KSME Annual Conference, pp.990-993, 2010
Kim. C. E, Han. H. S, Hwang. H. Y, Jung. T. K, Kim. Y. S, "Fatigue Analysis of Landing Gear System for Very Light Jet", 2013 KSAS Conference, pp.196-200, 2013

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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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