[논문]FEM을 이용한 셀프-피이싱 리벳접합 형태에 따른 피로특성 평가

임복규; 김재철; 이기열; 신수현; 최영우; 김대일; 김덕환; 김명찬

FEM을 이용한 셀프-피이싱 리벳접합 형태에 따른 피로특성 평가
Assessment of Fatigue Properties of SPR Jointed Various Specimens Using Finite Element Method 원문보기

임복규 (자동차부품혁신센터) , 김재철 (자동차부품혁신센터) , 이기열 (자동차부품혁신센터) , 신수현 (자동차부품혁신센터) , 최영우 (자동차부품혁신센터) , 김대일 (자동차부품혁신센터) , 김덕환 (부산대학교 정밀기계공학과) , 김명찬 (강원대학교 기계메카트로닉스공학과)

Self-piercing riveting(SPR) is becoming an important joining technique for automotive application of various material sheets and shapes. Fatigue behavior of SPR conections needs to be investigated experimentally and numerically to predict SPR fatigue lives. The simulations of various SPR specimens (Coach-Peel specimen, Cross-Tension specimen, Tensile-Shear specimen, Pure-Shear specimen) are performed to predict the fatigue life of SPR connections under different material combinations. Finite element models of various SPR specimens are developed using a FEMFAT SPOT SPR pre-processor. The fatigue lives of SPR specimens are predicted using a FEMFAT 4.4e based on the liner finite element analysis.

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문제 정의

따라서 본 연구에서는 선행연구에서 보여진 단일 형상 시편에서의 구조강성 및 피로특성 평가를 다양한 형상 시편에 확대 적용하며 이를 전산해석을 통하여 규명하고자 한다.
실제 자동차 차체 결합부에 작용되는 하중은 접합부의 형태에 따라 다양하다. 본 연구에서는 4가지 형태의 보편화된 접합 시험편을 대상으로 해석을 수행하고자 한다. 각 시편은 Fig.
본 연구에서는, 전산해석을 이용한 SPR 접합부의 구조강성 및 피로 수명에 대한 평가를 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

제안 방법

SPR 접합공정의 특성을 반영하기 위하여 피로해석 전용 프로그램인 FEMFAT(7)에서 제안하는 모델링 가이드 라인에 따라 유한요소모델을 생성한 후 FEMFAT SPOT SPR 전처리 과정을 수행하여 최종적으로 해석에 이용되는 SPR접합 시편의 유한요소모델을 생성하였다. FEMFAT으로 해석모델을 생성하게 되면 Fig.
이러한 복잡한 응력 분포가 발생하게 되고 응력집중이 초래되며 결국 응력집중부에서 파단이 일어난다(8). 강성해석은 상용유한요소 프로그램인 ABAQUS* 이용하여 판재에 고정단을 만들고 다른 판채를 각각의 형태에 맞게 인장시킴으로써 고정단에서 발생하는 반력을 측정하여 시편의 강성을 평가하였다. 각 시편별 해석결과는 Fig.
내구해석에 사용되는 FEMFATe 구조물에 대한 FEM해석에서 산출되는 Stress, Strain, Force 등을 기준으로, 정. 동하중이력 및 재료의 피로특성을 입력하여 해석을 수행하며, 제작 공정상의 여러가지 영향인자들을 적용하여 수치모델의 요소, 절점에 대한 피로수명을 예측한다. FEMFATe제품에 대한 안전의 판단 기준으로 마이너의 손상법칙 (Miner's Rule)⑼을 이용하여 손상(damage) 값을 산출하고 내구성능을 평가한다.

대상 데이터

이것은 접합형태에 따른 거동을보기 위한 것으로 판재의 두께만을 l.Ot와 L4t로 구분하였고 접합모재는 A5032 T4를 사용하여 동종재료의 접합만을 고려하였다.

이론/모형

동하중이력 및 재료의 피로특성을 입력하여 해석을 수행하며, 제작 공정상의 여러가지 영향인자들을 적용하여 수치모델의 요소, 절점에 대한 피로수명을 예측한다. FEMFATe제품에 대한 안전의 판단 기준으로 마이너의 손상법칙 (Miner's Rule)⑼을 이용하여 손상(damage) 값을 산출하고 내구성능을 평가한다. 피로파괴는 피로하중에 의한 일이 재료가 흡수할 수 있는 일의 총량에 도달했을 때 일어나며, 피로손상은 최대 응력이 피로한도 웅력보다 큰 경우만 일어난다는 가정아래 유도된 것으로 수식(1)을 만족할 때 피로파괴가 발생한다는 것이다.

성능/효과

1) Fig. 3(a)-(d)에서와 같이 CP-Specimen과 CT-Specimen의 경우는 접합축과 하중의 방향이 동일한 시편으로 힘의 변화폭보다 변위의 변화폭이 확연히 크다는 것을 알 수 있었다. 또한 TS-Specimen과 PS-Specimen의 경우는 변위의 변화폭은 작으나 하중의 변화폭이 앞선 두 가지 시편들보다 크다는 것을 알 수 있었다.
2) Fig. 3(a) - (d)에서와 같이 강성해석의 결과, 판재두께에 따라서 약간의 차이는 있었지만, 접합축과 하중과의 영향에 따라서 유사한 강성거동을 보였으며, 접합축과 하중방향이 수직관계에 있을 때 시편의 강성이 높았다.
3) Fig. 4에서와 같이 시편들의 내구해석 결과, 피로수명은 강성이 높은 시편에서 높았으며 이는 앞서 말한 것과 같이 접합축과 하중방향이 수직관계에 있을 때 피로수명이 향상됨을 알 수 있었다.
3(a)-(d)에서와 같이 CP-Specimen과 CT-Specimen의 경우는 접합축과 하중의 방향이 동일한 시편으로 힘의 변화폭보다 변위의 변화폭이 확연히 크다는 것을 알 수 있었다. 또한 TS-Specimen과 PS-Specimen의 경우는 변위의 변화폭은 작으나 하중의 변화폭이 앞선 두 가지 시편들보다 크다는 것을 알 수 있었다. 형태에 따라 변위, 또는 강성에 대하여 각각의 크기가 다름을 알 수 있어, 차체 모델링 시에 그 조건에 맞는 적절한 접합시편모델을 선택할 수 있을 것으로 판단된다.

후속연구

또한 TS-Specimen과 PS-Specimen의 경우는 변위의 변화폭은 작으나 하중의 변화폭이 앞선 두 가지 시편들보다 크다는 것을 알 수 있었다. 형태에 따라 변위, 또는 강성에 대하여 각각의 크기가 다름을 알 수 있어, 차체 모델링 시에 그 조건에 맞는 적절한 접합시편모델을 선택할 수 있을 것으로 판단된다.

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