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문제 정의
- 본 연구에서는 상용 프로그램 LS-DYNA를 사용하여 해석적으로 펄스 조정기의 응력파 제어 효과를 확인하였다. 또한, 펄스 조정기가 구리와 Al6061 두 가지 소재에 대해 시편의 동적 응력 평형에 기여하는지 SHPB 실험을 통해 확인하였다.
제안 방법
- 본 연구에서는 상용 프로그램 LS-DYNA를 사용하여 해석적으로 펄스 조정기의 응력파 제어 효과를 확인하였다. 또한, 펄스 조정기가 구리와 Al6061 두 가지 소재에 대해 시편의 동적 응력 평형에 기여하는지 SHPB 실험을 통해 확인하였다. 펄스 조정기를 부착하였을 때 시편이 응력 평형 상태에 근접하였음을 해석 및 실험을 통해 검증하였다.
- 또한, 펄스 조정기가 구리와 Al6061 두 가지 소재에 대해 시편의 동적 응력 평형에 기여하는지 SHPB 실험을 통해 확인하였다. 펄스 조정기를 부착하였을 때 시편이 응력 평형 상태에 근접하였음을 해석 및 실험을 통해 검증하였다. 이를 바탕으로 구리와 Al6061 두 소재의 변형률 속도가 각각 1344.
- 시편은 실린더 형태이며 지름 및 두께는 실험에서 사용되는 시편과 동일한 10mm로 모델링하였다. 충격봉의 충돌 속도 또한 실험과 동일하게 발사장치에 2bar를 입력하였을 때의 속도인 24 m/sec를 적용하였다. 해석에 사용된 펄스 조정기의 소재는 소성 변형 에너지가 상대적으로 적은 소재인 순수 구리로 선정하였다.
- 유한요소해석 결과를 통해 펄스 조정기가 시편의 전후면 응력 일치도를 증가시켜 주는 것을 확인하였다. 실제 SHPB 실험에서 응력파 제어 효과가 있는지 확인하기 위해서 Fig. 6과 같이 펄스 조정기의 유무에 따라 실험을 수행하였다. 시편은 구리와 Al6061 두 가지 소재를 사용하였다.
- 충격봉의 속도를 측정하기 위해 포토 게이트 시스템을 이용하였다. 포토 센서의 거리는 17cm이며 측정된 시간은 0.0068sec에서 0.0072sec로 측정하여 충격봉의 속도를 약 24m/sec로 도출하였다.
- 펄스 조정기의 효과를 확인하기 위해 유한요소해석과 SHPB 실험을 수행하였고, 이를 통해 얻은 결론은 다음과 같다.
대상 데이터
- 2와 같이 입력봉과 출력봉에 부착한 스트레인 게이지의 미세한 저항 변화로 나타나며, 이에 따른 전압 변화가 발생한다. 게이지의 저항 변화는 휘트스톤 브리지(Wheatstone bridge)를 통해 측정할 수 있으며, 본연구에 사용된 브리지의 종류는 쿼터(quarter) 타입 브리지이다. 휘트스톤 브리지에 연결된 증폭기(amplifier)는 전압 변화를 증폭시켜 오실로스코프(oscilloscope)에 전달하고, 오실로스코프에서 시간에 따른 전압 변화 데이터를 얻을 수 있다.
- 3과 같이 각각 모델링하였다. 시편은 실린더 형태이며 지름 및 두께는 실험에서 사용되는 시편과 동일한 10mm로 모델링하였다. 충격봉의 충돌 속도 또한 실험과 동일하게 발사장치에 2bar를 입력하였을 때의 속도인 24 m/sec를 적용하였다.
- 충격봉의 충돌 속도 또한 실험과 동일하게 발사장치에 2bar를 입력하였을 때의 속도인 24 m/sec를 적용하였다. 해석에 사용된 펄스 조정기의 소재는 소성 변형 에너지가 상대적으로 적은 소재인 순수 구리로 선정하였다. 펄스 조정기의 변형 에너지가 클 경우,시편의 변형 에너지가 감소하여 획득하고자 하는 변형률 속도에 도달하지 못할 수 있다.
- 6과 같이 펄스 조정기의 유무에 따라 실험을 수행하였다. 시편은 구리와 Al6061 두 가지 소재를 사용하였다. 시편과 펄스 조정기의 크기, 충격봉의 속도 등의 실험 조건은 해석조건과 모두 동일하게 설정하였다.
데이터처리
- 펄스 조정기가 시편 전후면의 동적 응력에 어떤 영향을 미치는지 판단하기 위해 상용 해석 프로그램 LS-DYNA를 이용하여 유한요소 해석을 수행하였다. 펄스 조정기를 적용한 SHPB 모델과 적용하지 않은 모델을 Fig.
- 5와 같이 시편의 전면 및 후면의 응력을 도출하였다. 펄스 조정기의 유무에 따른 시편 전후면 응력의 일치도를 정량적으로 비교하기 위해 root mean square error(RMSE)를 이용하였다.
이론/모형
- 입력봉과 출력봉, 충격봉은 탄성 거동이 발생하므로 탄성 물성을, 시편과 펄스 조정기는 소성 거동 및 고 변형률 속도 효과를 고려하기 위해 식 (8)과같이 온도 경화 항을 제외한 Johnson-Cook 구성방정식을 적용하여 물성을 부여하였다. 해석에 사용된 소성 변형 물성은 Table 2와 같다[10].
- 시편과 펄스 조정기의 크기, 충격봉의 속도 등의 실험 조건은 해석조건과 모두 동일하게 설정하였다. 충격봉의 속도를 측정하기 위해 포토 게이트 시스템을 이용하였다. 포토 센서의 거리는 17cm이며 측정된 시간은 0.
- 6/sec이다. 각 변형률 속도에서 도출한 유동 응력 그래프를 Johnson-Cook 구성방정식 모델에 곡선 접합하였다. 구성방정식의 A와 B, 그리고 n은 참고문헌 및 준정적 인장 시험에서 획득한 값을 사용하였다.
성능/효과
- 항공기나 자동차 등의 첨단 산업에서는 차체나 동체 등 금속 소재의 생산성 향상을 위해 여러 가지 성형방법이 제안되었다. 제안된 여러 성형 방법 중, 1000/sec 이상의 고 변형률 속도로 소재를 성형하는 전자기 성형이나 액중 방전 성형 등의 공정은 고압 및 고속 충격 조건으로 기존의 성형 공정보다 소재의 성형성을 향상시킬 수 있다[1].
- 펄스 조정기를 부착하였을 때 시편이 응력 평형 상태에 근접하였음을 해석 및 실험을 통해 검증하였다. 이를 바탕으로 구리와 Al6061 두 소재의 변형률 속도가 각각 1344.4 /sec와 1291.6 /sec일 때의 유동응력 선도를 도출하였다.
- 상승 시간 또한 20μsec에서 98μsec까지 크게 증가하였다. 따라서 상승 시간 및 지속시간이 증가함에 따라 시편이 동적 응력 평형상태에 도달한 것으로 판단하였다.
- RMSE의 값이 작을수록 두 데이터 간 오차가 작다고 판단할 수 있다. 펄스 조정기를 사용하였을 때의 RMSE 값이 작은 것으로 보아 시편의 전후면 응력 일치도가 증가한 것을 확인하였다.
- 유한요소해석 결과를 통해 펄스 조정기가 시편의 전후면 응력 일치도를 증가시켜 주는 것을 확인하였다. 실제 SHPB 실험에서 응력파 제어 효과가 있는지 확인하기 위해서 Fig.
- 펄스 조정기를 부착하였을 경우, 해석과 동일하게응력파의 상승시간과 유지시간이 증가한 것을 볼 수 있다. 또한 상승시간과 유지시간은 증가하였으나 입사파의 최대값은 감소한 것을 확인하였다.
- 6% 감소하였다. 유한요소 해석의 결과와 마찬가지로 전면 및 후면 응력의 RMSE 값이 감소하는 것을 확인하였다. 그에 따라 펄스 조정기의 응력파를 제어함으로써 시편의 동적 응력 평형 효과가 나타나는 것을 확인하였다.
- 유한요소 해석의 결과와 마찬가지로 전면 및 후면 응력의 RMSE 값이 감소하는 것을 확인하였다. 그에 따라 펄스 조정기의 응력파를 제어함으로써 시편의 동적 응력 평형 효과가 나타나는 것을 확인하였다. 펄스 조정기를 이용한 SHPB 실험에서 구리와 Al6061 두 소재의 유동 응력 그래프는 각각 Fig.
- (1) SHPB 실험과 동일한 모델을 해석적으로 구현하였고, 해석 결과 펄스 조정기를 사용하였을 경우 시편의 전면 응력과 후면 응력의 일치도가 증가하는 것을 확인하였다. 실제 SHPB 실험에서도 두 가지 소재의 시편에 대해 응력 일치도가 증가하는 것을 확인하였다.
- 펄스 조정기를 사용하였을 때의 응력파 형태는 대체로 진동 폭이 작고 후면 응력파의 크기와 유사한 것을 확인하였다. 전면 및 후면 응력파에 대한 RMSE 값은 Table 3과 같으며, 구리와 Al6061 소재에 대해 각각 43.2%와 43.6% 감소하였다. 유한요소 해석의 결과와 마찬가지로 전면 및 후면 응력의 RMSE 값이 감소하는 것을 확인하였다.
후속연구
- 본 논문에서 획득한 동적 물성의 변형률 속도 범위는 1000/sec 이상으로, 전자기 성형이나 액중 방전 성형 등의 고속 성형 공정에서 국부적으로 발생하는 고 변형률 속도에서 소재의 거동을 파악하는 데 도움이 될 것으로 판단된다. 그러나 1000/sec 이상 그리고 10000/sec 이하의 변형률 속도 영역 외 중고속 영역이나 초고속 영역에서의 변형률 거동을 파악하는 데에는 SHPB 실험 외의 방법을 통하여 동적 물성을 획득하여야 할 것으로 예상된다.
- (2) 향상된 시편의 동적 응력 일치도를 바탕으로 전자기 성형, 액중 방전 성형 등의 고속 성형에서 국부적으로 고 변형률 속도로 변하는 소재의 거동을 파악할 수 있을 것으로 예상된다.
- (3) 펄스 조정기를 사용하여 도출한 동적 물성의 정확도를 확인하기 위해서는 SHPB 실험에서의 시편 변형률과 해석에서의 시편 변형률이 유사한지 검증되어야 할 것이다. 또한 변형률 속도의 크기에 따른 물성을 도출하기 위해 충격봉의 속도를 다양하게 입력하여 실험을 수행하여야 할 것이다.
- (3) 펄스 조정기를 사용하여 도출한 동적 물성의 정확도를 확인하기 위해서는 SHPB 실험에서의 시편 변형률과 해석에서의 시편 변형률이 유사한지 검증되어야 할 것이다. 또한 변형률 속도의 크기에 따른 물성을 도출하기 위해 충격봉의 속도를 다양하게 입력하여 실험을 수행하여야 할 것이다.
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