[논문]유한요소해석을 이용한 금속 판재용 전단 파단 시편 설계

김찬양; 봉혁종; 이명규

doi:10.5228/kstp.2023.32.2.92

유한요소해석을 이용한 금속 판재용 전단 파단 시편 설계
Design of Shear Fracture Specimens for Sheet Metals Using Finite Element Analyses 원문보기

소성가공 = Transactions of materials processing : Journal of the Korean society for technology of plastics, v.32 no.2, 2023년, pp.92 - 99

김찬양 (한국재료연구원 재료공정연구실) , 봉혁종 (한국재료연구원 재료공정연구실) , 이명규 (서울대학교 재료공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, shear fracture specimens are designed using finite element analyses for the characterization of ductile fracture criteria of metal sheets. Many recently suggested ductile fracture criteria require experimental fracture data at the shear stress states in the model parameter identification. However, it is challenging to maintain shear stress states in tension-based specimens from the initial yield to the final fracture, and the loading path can be different for the different materials even with the same shear specimen geometries. To account for this issue, two different shear fracture specimens for low ductility/high ductility metal sheets are designed using the sensitivity tests conducted by finite element simulations. Priorly mechanical properties including the Hosford-Coulomb fracture criterion of the aluminum alloy 7075-T6 and DP590 steel sheets are used in the simulations. The results show that shear stress states are well-maintained until the fracture at the fracture initiation points by optimizing the notch geometries of the shear fracture specimens.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1 Strain hardening of the AA7075-T6 and DP590
그림 Fig. 2 Fracture strain loci at plane stress conditions for the AA7075-T6 and DP590
표 Table 1 Hardening law parameters of the AA7075-T6
표 Table 2 Hardening law parameters of the DP590
$Table 3 Hosford-Coulomb fracture model parameters of the AA7075-T6 and DP590$ 표 Table 3 Hosford-Coulomb fracture model parameters of the AA7075-T6 and DP590
그림 Fig. 3 Shear specimen geometries for the (a) low ductility (shape A) and (b) high ductility (shape B) metal sheets
그림 Fig. 4 Finite element models of shear specimens for (a) low ductility and (b) high ductility metal sheets
그림 Fig. 5 Sensitivity test results using shear specimen shapes of A1 to A3 for low ductility sheet metals
$Fig. 6 Stress triaxiality histories of the shear specimens for low ductility sheet metals at the fracture initiation prediction points$ 그림 Fig. 6 Stress triaxiality histories of the shear specimens for low ductility sheet metals at the fracture initiation prediction points
그림 Fig. 7 Finite element analysis results when DP590 material properties are applied to the specimen shape A2 in Figs. 3(a) and 4(a)
그림 Fig. 8 Sensitivity test results using shear specimen shapes of A1 to A3 for high ductility sheet metals
$Fig. 9 Stress triaxiality histories of the shear specimens for high ductility sheet metals at the fracture initiation prediction points$ 그림 Fig. 9 Stress triaxiality histories of the shear specimens for high ductility sheet metals at the fracture initiation prediction points

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 저연신 및 고연신 금속 소재의 전단 파단 측정을 위한 시편형상을 유한요소해석을 기반으로 디자인하였다. 저연신 소재로는 AA7075-T6 를, 고연신 소재로 DP590 물성을 활용하여 해석을 진행하였다.

가설 설정

27 을 사용하였다. 각 소재는 등방성으로 가정되었으며, 본 미세스 (von Mises) 항복 함수를 사용하였다. 경화식(hardening law)으로는 AA7075-T6 는 식 (1)의 Combined Swift-Voce 경화식으로, DP590 은 식 (2)의 Swift 경화식으로 표현하였다.
유한요소해석에는 ABAQUS/Standard가 사용되었다. 본 연구에서 유한요소해석은 일종의 가상실험으로 활용되었으므로, 실제 소재의 두께와 무관하게 시편 두께는 1 mm 로 가정, 두께 차이에 따른 효과는 무시하였다.

제안 방법

따라서 시편 가공의 용이성을 고려하여 노치 형상은 단순한 원형 노치로 유지하고 상하 노치사이 거리 D 를 달리하였다. 구체적으로는 거리 D 값은 0, 0.4, 0.8 mm 3 가지 조건으로 달리하였으며 요한요소해석 민감도 분석을 수행했으며, 각각을 형상 A1, A2, A3 로 명명한다.
현실적인 연구를 위해 이전 연구에서 확보한 Hosford-Coulomb 파단 모델을 해석에 적용하여 유한요소해석 중 파단 시작 예측 지점을 확인하였다. 그 뒤, 각 시편 형상 별 파단예측 지점에서 삼축응력비 경로를 확인하여 최적 전단 시편 형상을 결정하였다.
본 연구에서는 전단 파단 시편의 형상 디자인을 유한요소해석을 일종의 가상 실험으로 수행하여 시편 후보 형상 별 민감도 분석을 실시했다. 소재의 물성에 따라 하중경로에 변화가 있을 수 있으므로, 알루미늄 등 저연성(low ductility) 소재와 철강 등 고연성(high ductility) 소재를 위한 전단 시편 형상을 달리하여 최적화하였다.
본 연구에서는 전단 파단 시편의 형상 디자인을 유한요소해석을 일종의 가상 실험으로 수행하여 시편 후보 형상 별 민감도 분석을 실시했다. 소재의 물성에 따라 하중경로에 변화가 있을 수 있으므로, 알루미늄 등 저연성(low ductility) 소재와 철강 등 고연성(high ductility) 소재를 위한 전단 시편 형상을 달리하여 최적화하였다. 현실적인 연구를 위해 이전 연구에서 확보한 Hosford-Coulomb 파단 모델을 해석에 적용하여 유한요소해석 중 파단 시작 예측 지점을 확인하였다.
유한요소해석을 가상의 파단 실험으로 하여 전단 시편 형상 조건 별 민감도 분석을 수행하였다. 유한요소해석에는 ABAQUS/Standard가 사용되었다.
이에 대한 원인 파악 및 고연성 소재용 인장시편 디자인을 위해 응력상태 및 등가변형률 분포 변화를 분석하였다. Fig.

대상 데이터

4.1 절에서 최적화된 저연성 소재용 전단시편 형상인 형상 A2 시편에 AA7075-T6 대비 큰 연성을 가진 DP590 물성을 적용하여 유한요소해석을 수행하였으며, Fig. 7 은 그 결과를 도시한 것이다.
등방성 탄성모델을 적용하였으며, AA7075-T6 의 탄성계수는 E 70 GPa, 푸아송비 ν 0.33 를 적용하였으며, DP590 의 탄성계수는 E 200 GPa, 푸아송비 ν 0.27 을 사용하였다
저연성 및 고연성 소재의 전단 시편 형상을 각기 디자인하기 위하여 저연신 소재로 알루미늄 합금 AA7075-T6 와 고연신 소재로 590 MPa 급 DP 강(DP590)의 재료 물성을 유한요소해석에 적용하였다. 각각의 재료 물성은 본 연구와 독립적인 이전 연구에서 측정된 것이다.
본 연구에서는 저연신 및 고연신 금속 소재의 전단 파단 측정을 위한 시편형상을 유한요소해석을 기반으로 디자인하였다. 저연신 소재로는 AA7075-T6 를, 고연신 소재로 DP590 물성을 활용하여 해석을 진행하였다. 본 연구의 주요 결론은 다음과 같다.
즉, 응력상태 이력을 고려하였을 때 저연신 소재를 위한 전단시편 형상은 노치 사이 거리 D 0.4 mm인 A2 가 최적 시편이다.

이론/모형

각 소재는 등방성으로 가정되었으며, 본 미세스 (von Mises) 항복 함수를 사용하였다. 경화식(hardening law)으로는 AA7075-T6 는 식 (1)의 Combined Swift-Voce 경화식으로, DP590 은 식 (2)의 Swift 경화식으로 표현하였다.
유한요소해석을 가상의 파단 실험으로 하여 전단 시편 형상 조건 별 민감도 분석을 수행하였다. 유한요소해석에는 ABAQUS/Standard가 사용되었다. 본 연구에서 유한요소해석은 일종의 가상실험으로 활용되었으므로, 실제 소재의 두께와 무관하게 시편 두께는 1 mm 로 가정, 두께 차이에 따른 효과는 무시하였다.
소재의 물성에 따라 하중경로에 변화가 있을 수 있으므로, 알루미늄 등 저연성(low ductility) 소재와 철강 등 고연성(high ductility) 소재를 위한 전단 시편 형상을 달리하여 최적화하였다. 현실적인 연구를 위해 이전 연구에서 확보한 Hosford-Coulomb 파단 모델을 해석에 적용하여 유한요소해석 중 파단 시작 예측 지점을 확인하였다. 그 뒤, 각 시편 형상 별 파단예측 지점에서 삼축응력비 경로를 확인하여 최적 전단 시편 형상을 결정하였다.

성능/효과

(1) 저연신 소재의 전단변형 인가는 단순한 원형 노치 형상으로도 용이하며, 상하 노치 중심 사이 거리가 노치 반지름의 1/2 만큼 이격되어 있을 때 전단응력응력이 가장 잘 인가되었다.
(3) 고연신 소재 전단 시편의 노치를 변형될 형상과 반대 방향으로 뾰족하게 했을 때, 파단직전 시험 후반부의 변형집중부의 회전 및 응력상태의 인장으로의 변화를 억제할 수 있다.

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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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