[논문]유한요소해석을 이용한 M8 블라인드 리벳 너트 형상 최적 설계

구본준; 최정묵; 홍석무

doi:10.5228/kstp.2020.29.3.157

Abstract ▼ AI-Helper

Blind rivet nuts are increasingly used in automotive for the joining of sheets. Their application, however, requires appropriate design guides to prevent catastrophic events arising from the failure of joints. In this study, the shaft shape of a frequently used M8 blind rivet nut is optimized based ...

Blind rivet nuts are increasingly used in automotive for the joining of sheets. Their application, however, requires appropriate design guides to prevent catastrophic events arising from the failure of joints. In this study, the shaft shape of a frequently used M8 blind rivet nut is optimized based on 3D numerical analysis of the blind rivet nut considering the characteristics of thread. The thread needs to be modeled to suitably consider the fastening of the M8 bolt after the crimping process. FE analysis showed that while the friction in the contact between crimp flange and plate has no significant effect on the crimp geometry, shaft thickness (t) and shaft height (h) are the most significant design variables. The parameter study including various combinations of t and h reveals that they affect the gap (the distance between the crimped flange and the plate that develops through riveting) and the load acting on the plate. The gap is an indicator of the tightening force. It is found that t is inversely proportional to the gap, and proportional to the load, whereas h is proportional to the gap and inversely proportional to the load. Based on our FE analysis results, we propose the range 0.062 < t/h < 0.1 to ensure sufficient fastening (high clamping load, small gap) of the M8 blind rivet nut. The design guide for determining the t/h ratio proposed in this study can be used for general quantitative analysis of the size and the t/h ratio of blind rivet nuts.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1 Applications of blind rivet nuts for automotive assembly
그림 Fig. 2 Schematic of blind rivet nut fastening process
그림 Fig. 3 (a) Design parameters and (b) FE model of blind rivet nut
그림 Fig. 4 Fastening simulation
그림 Fig. 5 Definition of fastening gap and self-contact area
표 Table 1 Material properties of Al6061-O
그림 Fig. 6 Optimization flow chart in order to select optimal ration of t/h
그림 Fig. 7 (a) Effective stress and (b) load on plate for various friction coefficients
그림 Fig. 8 Comparison of gap according to various t/h
그림 Fig. 9 For high t/h (here, 0.1), BRN and M8 bolt start to separate at the upper thread
그림 Fig. 10 Load for various combinations of t/h

AI 본문요약
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문제 정의

기존 연구들은 BRN 설계 가이드에 대해 충분한 연구가 진행되지 않아 본 연구에서는 BRN에 대한 형상 최적 설계에 대한 해석적 연구를 수행한다.BRN은 샤프트의 t/h 비에 따라 압착 플렌지의 형상에 큰 영향을 준다.
BRN은 샤프트의 t/h 비에 따라 압착 플렌지의 형상에 큰 영향을 준다. 따라서, 높은 체결력을 고려하며 파라미터 해석을 통해 판재 하중 및 미접촉 거리의 경계조건을 설정하여 설계 가이드를 제시하고자 한다.
5). 본 연구에서는 미접촉 거리와 판재하중을 동시에 고려하여 보다 정밀한 t/h의 비를 제시한다.

가설 설정

본 연구에서는 압착 플렌지 형상 최적 설계에 초점을 맞추고 있으므로 Fig. 2(b) 공정까지만 고려하기로 한다.
리벳 너트를 제외한 모든 파트 (리벳건, 판재, 바인더)는 강체로 가정했고, 원활한 너트 삽입을 위해 리벳 너트와 판재 사이의 클리어런스는 0.05mm를적용했다. 나사산을 고려하여 비대칭 형상인 BRN 때문에 좌우에 걸리는 하중을 각각 분석하기 위해 판재를 세로로 분할해 총 2분할된 판재를 사용했다.
8(a)는 t와 h에 따른 미접촉 거리 차이를 나타냈으며, t가 일정할 때 h 는 미접촉 거리에 정비례하고, h가 일정할 때 t는 미접촉 거리에 반비례한다. 본 연구에서는 현장에서 통상적으로 미접촉 거리가 0.06mm 보다 작게 고려되므로 0.06mm 이상일 때 체결 기능이 떨어진다고 가정했다. 이를 t와 h비율 (t/h)로 나타낸 것이 Fig.

제안 방법

(4) 본 연구에서는 BRN의 체결력을 고려한 요구 판재 하중을 1500N으로 설정했으며, 이를 고려한 t/h 범위는 0.068 < t/h < 0.1로 결정했다.
6에 나타냈다.BRN의 FE 모델링을 한 후 유한요소해석을 통한 결과 분석 후 판재 하중과 미접촉 거리를 경계조건으로 설정했다. 설정되어진 경계조건을 만족하지 못하면 t와 h를 수정해 다시 해석을 진행하여 만족되어지는 최적 t/h의 비를 결정했다.
본 연구에서는 나사산을 고려한 BRN의 다양한 형상변수 중 샤프트 t, h의 파라미터 해석을 통해 최적 설계를 수행했으며 다음과 같은 결론에 도달했다.
본 연구에서는 체결력을 고려해 하중을 1500N으로 채택했다. Fig.
하중의 최대 최소인 마찰계수 0.2과 0.3의 판재 하중 차이는 약 9%이지만, 실제 블라인드 너트 공정에서는 마찰계수가 0.3이하로 관리됨으로 본 연구에 서는 마찰계수를 0.3으로 고정했다.
4(c)에서는 샤프트의 소성변형이 극심해지며 좌굴 되어 압착 플렌지를 성형하고 성형된 압착 플렌지를 통해 판재에 체결력을 전달한다. 해석 종료조건은 압착 플렌지를 성형하는 샤프트의 t와 h가 달라짐으로 미성형 및 과성형을 고려하여 동일한 리벳팅 거리 및 힘이 아닌 샤프트가 좌굴 되어 자가 접촉(self-contact)될 때를 해석 종료 조건으로 설정했다.Fig.

대상 데이터

05mm를적용했다. 나사산을 고려하여 비대칭 형상인 BRN 때문에 좌우에 걸리는 하중을 각각 분석하기 위해 판재를 세로로 분할해 총 2분할된 판재를 사용했다.
2(d)]. 본 연구에서 미접촉 거리는 후공정 볼트 체결 정밀도를 고려해 0.06mm 이하로 선정했다. 결국 미접촉 거리가 0.
해석은 범용 해석 프로그램인 AFDEX를 사용했다 [9]. 해석에 소요되는 시간을 고려해 1/2만을 모델링 했으며, 이때 사용된 요소수는 약 80,000개이다. BRN 체결 시 샤프트가 집중적인 변형을 받으므로, 샤프트에 요소를 집중적으로 배치했다.

데이터처리

해석은 범용 해석 프로그램인 AFDEX를 사용했다 [9]. 해석에 소요되는 시간을 고려해 1/2만을 모델링 했으며, 이때 사용된 요소수는 약 80,000개이다.

이론/모형

BRN 소재는 Al6061-O이며, 해석에 사용한 유동응력은 식 (1)과 같이 Hollomon 관계식을 사용했다.

성능/효과

(2) BRN의 기능을 위해 판재 미접촉 거리를 고려한 해석을 진행했으며, 해석상 미접촉 거리는 0.06mm 보다 작아야 한다.

후속연구

(6) 본 연구에서 t/h 비에 대한 설계가이드를 제시했으며, 제안한 방법을 확장하면 BRN 크기와 정량적 분석이 가능할 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	샤프트란?	샤프트는 BRN에서 나사산이 없고 압착 플렌지를 성형하는 부분이다. Fig.
	BRN을 사용할 때 단점은?	쉽게 체결이 가능하다는 장점에도 불구하고, BRN을 사용할 때 볼트/너트의 강도, 피로수명 관련 문제뿐만 아니라 응력 집중이나 체결력 저하와 같은 단점이 발생할 수 있다 [3].
	블라인드 리벳 너트 (blind rivet nut, BRN)사용의 장점은?	BRN을 사용하면 기존보다 체결에 걸리는 시간이 적고, 샤프트 높이 및 두께를 달리하여 다양한 체결조건에서 사용되어진다. 특히 접합 재료에 대한 제약이 거의 없어 이종 재료간 체결을 손쉽게 해결할 수 있다. 또한 용접과는 다르게 유해한 증기나 가스가 발생하지 않고 화상 위험이 없어 안전하다.

참고문헌 (9)

D. Jung, J. Jung, 2018, Aluminum alloys and their joining methods, Journal of the Microelectronics and Packaging Society, Vol. 25, No. 2, pp. 9-17.
L. Han, M. Thornton, M. Shergold, 2010, A comparison of the mechanical behaviour of selfpiercing riveted and resistance spot welded aluminum sheets for the automotive industry, Materials and Design, Vol. 31, No. 3, pp. 1457-1467.

상세보기
A.Manes, M.Giglio, F.Vigano, 2011, Effect of riveting process parameters on the local stress field of a T-joint, International Journal of Mechanical Sciences, Vol. 53, No. 12, pp. 1039-1049.

상세보기
S. S. Kim, S. Y. Kim, K. S. Kim, 2000, Evaluation of clamping forces according to length-to-diameter ratios and preserved thread lengths of high strength bolts, Journal of Korean Society of Steel Construction, Vol. 12, No. 3, pp. 259-268.
Y. H Kim, K. S. Kim, 1999, Evaluation of tightening forces according to length-diameter ratios for high strength bolts, Journal of the Architectural Institute of Korea, Vol. 15, No. 1, pp. 37-44.
J. S. Lee, S. Y. Kwak, S. Kang, 2011, An analysis of plastic deformation developed during interference fitting of disk brake hub bolt, The Korean Society for Technology of Plasticity, Vol. 17, No. 6, pp. 407-411.
S. Hassanifard, M.R. Adibeig, M. Mohammadpour, A. Varvani-Farahani, 2019, Fatigue life of axially loaded clamped rivet-nut joints: Experiments and analyses, International Journal of Fatigue, Vol. 129, No. 105254.

상세보기
A. Van de Velde, S. Coppieters, J. Maeyens, M. Wevers, D. Debruyne, 2019, On the numerical prediction of the torque-to-turn-value of a blind rivet nut, International Journal of Material Forming, Vol. 13, pp127-141.
AFDEX, https://www.afdex.com

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