[논문]전자기 성형 시 온도에 따른 알루미늄 파이프의 전자기-구조 연동해석

강한빈; 탁승민; 백인석; 최진규; 이석순

doi:10.20910/jase.2018.12.3.64

전자기 성형 시 온도에 따른 알루미늄 파이프의 전자기-구조 연동해석
Electromagnetic-structure Co-simulation Analysis of Aluminum Pipe with Electromagnetic Forming according to Temperature 원문보기

항공우주시스템공학회지 = Journal of aerospace system engineering, v.12 no.3, 2018년, pp.64 - 69

강한빈 (경상대학교 대학원 기계항공공학부, Engineering Research Institute(ERI)) , 탁승민 (경상대학교 대학원 기계항공공학부, Engineering Research Institute(ERI)) , 백인석 (경상대학교 대학원 기계항공공학부, Engineering Research Institute(ERI)) , 최진규 (경상대학교 대학원 기계항공공학부, Engineering Research Institute(ERI)) , 이석순 (경상대학교 대학원 기계항공공학부, Engineering Research Institute(ERI))

초록
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고속 전자기 성형 (EMF) 과정은 로렌츠 힘과 자기장의 에너지를 기반으로 한다. EMF의 장점은 향상된 성형성, 주름 감소 및 비접촉 성형 등이 있다. 본 연구에서는 전자기 성형을 통한 알루미늄 파이프의 온도에 따른 성형성을 분석하기 위해 전자기-구조 연동해석을 수행하였으며, 온도가 증가함에 따라 전기저항이 커지므로 인해 자속 밀도는 감소하고, 응력-변형률 곡선에서 온도가 높아질수록 유동 응력이 낮아지므로 변형량은 상대적으로 증가함을 확인할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The high-velocity electromagnetic forming (EMF) process is based on the Lorentz force and the energy of the magnetic field. The advantages of EMF include improved formability, wrinkle reduction, and non-contact forming. In this study, the electromagnetic-structural interlocking analysis was performed in order to analyze the moldability of aluminum pipe using electromagnetic molding. The magnetic flux density was decreased due to increasing electrical resistance as the temperature increased, and the stress-strain curve decreased. The higher the temperature, the lower the flow stress, increasing deformation.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, 본 연구에서는 전자기-구조 연동해석을 통해 알루미늄 파이프의 온도에 따른 경향성을 확인하고 전자기 성형에서 소재 성형 온도에 따른 성형 효과를 확인하였다. ;

제안 방법

본 연구에서는 다양한 알루미늄 합금 계열 중에서도 주변에서 구하기 쉽고 가공이 용이하며 내식성을 가진 AL6061 소재를 선정하였으며, 온도에 따른 알루미늄파이프의 성형성을 확인하기 위해서 전류밀도를 선정하고 전자기-구조 연동해석을 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 전자기장 수치해석 프로그램인 ABAQUS Electromagnetic을 사용하여 자속밀도와 온도에 따른 알루미늄 파이프의 변형에 관한 연구를 수행하였다. 격자(Mesh) 생성은 사각 형태(Quad type)인 EMC3D8을 사용하였으며, 해석의 펄스 파형은 고주파 성분을 포함하고 있기 때문에 이와 같이 높은 주파수 대역의 전자기장 해석 모델의 구성 시 반드시 표피효과를 고려해야 하므로 보다 정확한 해석 결과를 얻기 위하여 표피효과를 고려한 도체의 안쪽 영역으로 들어갈수록 격자의 길이가 작아지게 격자를 생성하였으며 격자 수렴(mesh convergence)를 통한 최적의 격자 개수는 노드 수 77,265, 요소의 개수 74,432의 모델을 적용하였다.
전자기-구조 연동해석 수행 결과로 얻은 자속밀도와초기 온도에 따른 알루미늄 파이프의 변형량을 통해 결과를 비교/분석 하였다.

대상 데이터

알루미늄 파이프와 성형 코일을 2차원 축대칭 모델로 Fig. 2와 같이 간단하게 도식화하였으며, 코일에 인가되는 전류는 다음 식으로 나타낼 수 있다.
펄스 파형은 Fig. 5와 같이 인가전압 2~8kV일 때 오실로스코프 상의 펄스 파형을 나타낸 것으로 성형코일의 출력단에 감아 방전 파형을 측정하였다. 각 파형은 인가전압에 따라 피크 전압이 증가하며 감쇠진동의 사인파(Sine wave) 형상이 기록되었다.

이론/모형

본 연구에서는 전자기장 수치해석 프로그램인 ABAQUS Electromagnetic을 사용하여 자속밀도와 온도에 따른 알루미늄 파이프의 변형에 관한 연구를 수행하였다. 격자(Mesh) 생성은 사각 형태(Quad type)인 EMC3D8을 사용하였으며, 해석의 펄스 파형은 고주파 성분을 포함하고 있기 때문에 이와 같이 높은 주파수 대역의 전자기장 해석 모델의 구성 시 반드시 표피효과를 고려해야 하므로 보다 정확한 해석 결과를 얻기 위하여 표피효과를 고려한 도체의 안쪽 영역으로 들어갈수록 격자의 길이가 작아지게 격자를 생성하였으며 격자 수렴(mesh convergence)를 통한 최적의 격자 개수는 노드 수 77,265, 요소의 개수 74,432의 모델을 적용하였다.
지배방정식은 아래와 같이 맥스웰 방정식(Maxwell equation)을 사용하였다[6].

성능/효과

1) 전자기 성형 시 온도에 따른 자속 밀도와 변형량에 대한 경향성을 분석하였으며 온도가 증가함에 따라 전기저항이 커지므로 인해 자속 밀도는 감소하고, 응력-변형률 곡선에서 온도가 높아질수록 유동 응력이 낮아지므로 변형량은 상온 대비 66.4% 증가하였다.
2) 초기 성형온도 가정을 통한 400 ℃ 이상의 구간에서 변형량이 급격하게 증가하는 것을 통해 알루미늄소재의 전자기 성형 시 400 ℃ 이상의 초기 조건을 부여함으로써 보다 높은 성형 효과를 기대할 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	본 논문에서 실시한, 온도에 따른 알루미늄파이프의 성형성을 알아보기 위한 연구의 결과는 무엇인가?	1) 전자기 성형 시 온도에 따른 자속 밀도와 변형량에 대한 경향성을 분석하였으며 온도가 증가함에 따라 전기저항이 커지므로 인해 자속 밀도는 감소하고, 응력-변형률 곡선에서 온도가 높아질수록 유동 응력이 낮아지므로 변형량은 상온 대비 66.4% 증가하였다. 2) 초기 성형온도 가정을 통한 400 ℃ 이상의 구간에서 변형량이 급격하게 증가하는 것을 통해 알루미늄소재의 전자기 성형 시 400 ℃ 이상의 초기 조건을 부여함으로써 보다 높은 성형 효과를 기대할 수 있을 것으로 판단된다.
	전자기 성형기술이란 무엇인가?	전자기 성형기술(Electromagnetic forming: EMF)은 고강도의 자기장을 이용하여 축관/확관 등의 공정에 적용이 가능하고 성형 공정시간이 고속(15~300m/s)인 기술이다. 전자기 성형기술은 콘덴서에 저장된 초기 전자 에너지를 수 ns ~ 수 ms의 짧은 시간 안에 발생시켜 에너지를 집중, 공급하는 기술이다.
	전자기 성형법이 물리적 접촉 없이 성형이 이루어지므로 가능한 성형은 무엇인가?	전자기 성형법은 어떠한 물리적 접촉 없이 성형이 이루어지므로, 표면 결함, 윤활, 마모 등의 문제가 발생하지 않으며 반복적인 성형이 가능하다. 또한 축관/확관, 판재 성형, 접합 공정 등 다양한 성형 공정에 적용이 가능하며, 복잡한 형상도 효과적으로 성형이 가능하여 자동차 산업과 항공 산업 등 다양한 분야에 응용할 수 있다.

참고문헌 (12)

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원문보기 상세보기
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원문보기 상세보기
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상세보기
J. Y. Sim, H. H. Kim, .I. S. Kim, B. Y. Kang, D. H. Park, "A study on electromagnetic force distributions in magnetic pulse welding using a finite element method", The Korean Welding & Joining Society, vol. 48, pp.285-287, November 2017.
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상세보기
Electrical conductivity, (http://www.thefabricator.com/article/consumables/caring-for-your-contact-tips)
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A. Melander, A. Delic, A. Bjorkblad, P. Juntunen, L. Samek and L. Vadillo, "Modelling of electro hydraulic free and die forming of sheet steels", International Journal of Material Forming, vol. 6, no. 2, pp. 223-231, June 2013.

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A. V. Mamutov, S. F. Golovashchenko, V. S. Mamutov and J. J. Bonnen, "Modelling of electro hydraulic forming of sheet metal parts", Journal of Materials Processing Technology, vol. 219, pp.84-100, May 2015.

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