[논문]고정형 조건에서의 스테인레스 강판의 충격 특성

안동규; 문경제; 정창균; 한길영; 양동열

문제 정의

본 논문에서는 스테인레스강 중 산업적으로 폭넓게 활용되고 있는 오스테나이트계의 SUS 304H 재료에 대한 고정형 경계조건에서의 충격 특성을 3차원 유한요소 해석을 통하여 분석하였다. 충격시험결과와 유한요소해석 결과를 비교하여 유한요소해석 모델의 적합성을 분석하였다.
본 연구에서는 3차원 유한요소해석을 통한 SUS304H 판재의 고정형 경계조건에서의 충격 특성을 분석/고찰하였다. 본 연구 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

가설 설정

상판과 하판의 고무는 연성고무로 가정하였다. 물성은 Neo-Hookean의 Hyper-elastic 모델을 적용하였다.
경계조건은 상판의 윗면과 하판의 아랫면을 모든 방향으로 고정시켰다. 시편은 각 가장자리를 Z방향으로만 고정시키고 그 외의 다른 방향으로는 자유단 상태로 가정하였다. 그리고 충격헤드는 시편과 맞닿게 위치시켜 초기 충격 순간의 속도를 식 (1)과 같이 계산하여 충격헤드에 부여하였다.
저속 충격특성 분석을 위하여 시편인 SUS304H는 탄소성 재료로 가정하였다. 정적인 인장시험 및 굽힘시험을 통하여 시편의 탄성영역의 물성을 구하였고, 고속인장시험을 통하여 변형률 속도에 의존적인 소성영역의 물성을 구하여 ABAQUS 상의 재료 물성으로 입력하였다.

제안 방법

3차원 유한요소해석결과의 검증을 위하여 SUS 304H 판재에 대한 충격시험을 수행하였다.
SUS 304H 판재에 대한 충격시험은 Fig. 3 과 같은 낙하하중 (Drop weight) 방식의 충격시험기를 사용하였다. 충격하중을 측정하기 위하여 충격 헤드 (Head) 상부에 로드 셀 을 부착하였으며, 재료의 충격부 변위를 측정하기 위하여 구조물 왼쪽 모서리에 최대 변위가 75 mm인 LVDT를 장착하였다.
고정형 경계조건은 시편 지지용 치구의 상판과 하판 사이에 고무를 첨가하고 고정구로 고정하여 치구의 중앙 원형부를 제외한 잔여부분은 고무에 부가되는 압력으로 완전 고정시켜 충격 헤드에 의한 중앙부 변형만을 유도하도록 하였다.
충격하중을 측정하기 위하여 충격 헤드 (Head) 상부에 로드 셀 을 부착하였으며, 재료의 충격부 변위를 측정하기 위하여 구조물 왼쪽 모서리에 최대 변위가 75 mm인 LVDT를 장착하였다. 그리고 촬영 속도가 1/20,000 sec 인 고속카메라를 설치하여 충격 헤드와 시편의 접촉 후 변형을 촬영하였다.
둘째, 3차원 유한요소해석 결과를 통하여 입력 충격에너지와 충격헤드 직경 변화에 따른 재료의 충격 흡수 특성, 하중-변위 특성 및 응력/변형률/변형률에너지 변화에 대한 정량적 분석을 수행하였다. 그 결과 충격흡수에너지와 충격에너지흡수율을 충격헤드의 직경에 관계없이 동일 입력에너지에서 거의 동일한 충격흡수에너지와 충격에너지흡수율이 나타남을 알 수 있었다.
물성은 Neo-Hookean의 Hyper-elastic 모델을 적용하였다. 또한, 시편과 상하판의 재료 물성에는 외연적 시간적분시 해석의 정확도를 높이기 강성에 비례하는 감쇄계수를 사용 하였다. 감쇄계수의 값은 댐핑이 없는 초기의 안정적 시간증분의 크기와 같거나 혹은 이보다 약간 작은 값을 입력하였다.
7 mm로 얇기 때문에 해석시간 감소 및 사용 메모리 최소화를 도모하기 위하여 4 절점 쉘요소를 이용 하였다. 상판과 하판 다이의 고무는 8 절점 육면체 요소로 모델링 하였으며, 충격헤드는 분산형 강체요소로 모델링 하였다. 충격헤드의 직경은 충격 실험과 동일하게 10 mm 및 20 mm를 사용하였으며, 각 시험조건의 유한요소 격자수는 Table 1과 같다.
저속 충격특성 분석을 위하여 시편인 SUS304H는 탄소성 재료로 가정하였다. 정적인 인장시험 및 굽힘시험을 통하여 시편의 탄성영역의 물성을 구하였고, 고속인장시험을 통하여 변형률 속도에 의존적인 소성영역의 물성을 구하여 ABAQUS 상의 재료 물성으로 입력하였다. 이때, 해석에 사용된 SUS 304H의 밀도는 7,850 kg/m³ 이고 탄성계수는 180 GPa, 포와송비는 0.
충격시험결과와 유한요소해석 결과를 비교하여 유한요소해석 모델의 적합성을 분석하였다. 최종적으로 본 유한요소해석 결과 도출된 하중-변위 상관관계, 에너지 흡수 특성, 응력 분포, 변형률 분포 및 변형률 에너지 분포 특성을 비교/분석하여 본 연구 대상 재료의 충격 특성을 고찰 하였다.
본 논문에서는 스테인레스강 중 산업적으로 폭넓게 활용되고 있는 오스테나이트계의 SUS 304H 재료에 대한 고정형 경계조건에서의 충격 특성을 3차원 유한요소 해석을 통하여 분석하였다. 충격시험결과와 유한요소해석 결과를 비교하여 유한요소해석 모델의 적합성을 분석하였다. 최종적으로 본 유한요소해석 결과 도출된 하중-변위 상관관계, 에너지 흡수 특성, 응력 분포, 변형률 분포 및 변형률 에너지 분포 특성을 비교/분석하여 본 연구 대상 재료의 충격 특성을 고찰 하였다.
3 과 같은 낙하하중 (Drop weight) 방식의 충격시험기를 사용하였다. 충격하중을 측정하기 위하여 충격 헤드 (Head) 상부에 로드 셀 을 부착하였으며, 재료의 충격부 변위를 측정하기 위하여 구조물 왼쪽 모서리에 최대 변위가 75 mm인 LVDT를 장착하였다. 그리고 촬영 속도가 1/20,000 sec 인 고속카메라를 설치하여 충격 헤드와 시편의 접촉 후 변형을 촬영하였다.

대상 데이터

정적인 인장시험 및 굽힘시험을 통하여 시편의 탄성영역의 물성을 구하였고, 고속인장시험을 통하여 변형률 속도에 의존적인 소성영역의 물성을 구하여 ABAQUS 상의 재료 물성으로 입력하였다. 이때, 해석에 사용된 SUS 304H의 밀도는 7,850 kg/m³ 이고 탄성계수는 180 GPa, 포와송비는 0.28이다. 그리고 변형률속도에 따른 항복강도와 인장강도는 Fig.
저속 충격 시험에 사용된 시편은 두께 0.7 mm의 SUS 304H 판재를 120 mm (L) × 120 mm (W) 크기로 제작하였다.
3 g 이다. 충격시험은 고정형 경계조건에서 수행하였으며, 실험에 사용된 충격헤드는 무게가 11.1 kg이고 직경은 10 mm와 20 mm가 되도록 제작하였다. 충격높이는 340 mm에서 980 mm까지 이다.
상판과 하판 다이의 고무는 8 절점 육면체 요소로 모델링 하였으며, 충격헤드는 분산형 강체요소로 모델링 하였다. 충격헤드의 직경은 충격 실험과 동일하게 10 mm 및 20 mm를 사용하였으며, 각 시험조건의 유한요소 격자수는 Table 1과 같다.

데이터처리

본 SUS 304H 재료의 저속 충격 해석 모델의 검증을 위하여 해석 결과를 충격 시험 결과와 비교/분석 하였다.
1와 같이 모델링 하였다. 유한요소 모델링 및 해석은 ABAQUS V6.5 상용프로그램을 이용하여 수행하였다.

이론/모형

상판과 하판의 고무는 연성고무로 가정하였다. 물성은 Neo-Hookean의 Hyper-elastic 모델을 적용하였다. 또한, 시편과 상하판의 재료 물성에는 외연적 시간적분시 해석의 정확도를 높이기 강성에 비례하는 감쇄계수를 사용 하였다.
본 연구의 충격해석을 위한 유한요소 방법은 고속 동적 문제해결에 매우 적합하며, 복잡한 접촉문제와 순간적인 동적 반응을 해석하기에 매우 효율적인 외연적 시간적분 유한요소법(Explicit time integration finite element method)을 사용하였다. 충격해석을 위한 유한요소 모델링은 충격시험과 동일한 조건을 부여하기 위해 Fig.

성능/효과

6 은 충격시험과 3차원 유한요소 해석을 통해 충격헤드의 직경이 20 mm일 때의 시편의 최종 변형 형상을 비교하였다. Fig. 6을 보면 초기에 시편 중앙부의 충격부위로 응력이 집중되나, 스프링백이 완료된 후의 최종변형 상태에서는 시편 중앙부에 대한 수직·수평 방향의 고정형 경계조건이 부여된 가장자리 영역에서 재료의 수직 방향 변형 제한에 의한 응력이 발생하는 현상을 볼 수 있었다, 이 결과를 통해 최종변형시 중앙부 충격 부가 부분의 수직·수평 방향의 가장자리 영역에서 접힘 현상과 같은 변형이 발생할 가능성이 있음을 예측할 수 있었다. 충격시험 결과 Fig.
초기 유한요소 모델에서는 판재에 대한 감쇄계수 부가와 상하판 재료에 대한 Hyper-elastic 및 Visco-elastic 모델이 도입되지 않았다. 그 결과 Fig. 4 와 같이 초기 충격 헤드와 판재 접촉 구간에서 해의 과도 진동으로 인하여 판재의 과도 변형을 유도하여 충격하중이 과도하게 예측되고 재료 변위가 매우 감소하는 현상이 나타났다 그러나 판재에 대한 감쇄 계수 부가와 상하판 재료에 대한 Hyper-elastic 모델이 도입된 경우는 Table 2, Fig. 5 및 6 과 같이 충격 시험 결과와 거의 유사한 하중-변위 및 흡수에너지-변위 곡선을 얻을 수 있음을 알 수 있었다.
둘째, 3차원 유한요소해석 결과를 통하여 입력 충격에너지와 충격헤드 직경 변화에 따른 재료의 충격 흡수 특성, 하중-변위 특성 및 응력/변형률/변형률에너지 변화에 대한 정량적 분석을 수행하였다. 그 결과 충격흡수에너지와 충격에너지흡수율을 충격헤드의 직경에 관계없이 동일 입력에너지에서 거의 동일한 충격흡수에너지와 충격에너지흡수율이 나타남을 알 수 있었다.
4 보다 매우 작은 변형률 영역에 있어, 재료의 파단이 발생하지 않음을 알 수 있었다. 또한, 충격 헤드의 직경이 커질수록 많은 재료 면적으로 충격에너지가 전달되어 전체적으로 낮은 응력 및 변형률 값을 나타냄을 알 수 있었다. Fig.
셋째, 최대 변형률이 나타나는 임계 충격 에너지를 정량적으로 예측할 수 있었으며 이때의 응력/변형률/변형률에너지 분포 특성에 대한 예측이 가능하였다.
이 결과로부터 본 연구에서 제안된 SUS 304H 강판에 대한 3차원 유한요소해석 모델이 본 재료의 고정형 경계조건에 대한 충격 특성을 잘 묘사할 수 있음을 알 수 있었다.
첫째, SUS 304H 판재의 고정형 경계조건에 대한 충격 해석용 3차원 유한요소해석 모델을 개발하였으며, 해석 결과를 실험결과와 비교하여 해석 모델의 타당성을 확인하였다.
6을 보면 초기에 시편 중앙부의 충격부위로 응력이 집중되나, 스프링백이 완료된 후의 최종변형 상태에서는 시편 중앙부에 대한 수직·수평 방향의 고정형 경계조건이 부여된 가장자리 영역에서 재료의 수직 방향 변형 제한에 의한 응력이 발생하는 현상을 볼 수 있었다, 이 결과를 통해 최종변형시 중앙부 충격 부가 부분의 수직·수평 방향의 가장자리 영역에서 접힘 현상과 같은 변형이 발생할 가능성이 있음을 예측할 수 있었다. 충격시험 결과 Fig. 6 과 같이 완벽한 고정형 경계 조건이 구현되지 않았을 경우 중앙부 충격부가 부분의 수직·수평 방향 가장자리 영역에서 접힘 현상이 발생하는 것을 확인할 수 있었다.
이 현상은 충격 헤드 직경이 감소할수록 충격부에 높은 밀도의 충격에너지가 부가되어 충격헤드 접촉부 재료에 고 변형률 속도를 유도시켜 국부 변형을 증가시키기 때문이다. 충격흡수에너지와 충격에너지흡수율을 충격헤드의 직경에 관계없이 동일 입력에너지에서 거의 동일한 충격흡수에너지와 충격에너지흡수율이 나타남을 알 수 있었다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	스테인레스강에 대한 연구가 활발한 이유는 스테인레스강의 어떠한 특성 때문인가?	최근 화학공장, 철강, 전력, 자동차, 선박, 항공기, 원자력 산업 혹은 해양개발과 관련하여 강한 내식성을 가지며 내열성 및 내온도성, 인성 및 용접성이 양호한 스테인레스강에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 스테인레스강은 12 % 이상의 Cr을 함유하여 표면에 Cr 산화물의 치밀한 피막을 형성하여 내식성이 매우 좋은 재료로써 산업적 활용도가 매우 높은 재료이다.
	스테인레스강에는 Cr이 얼마 이상 함유되어 있는가?	최근 화학공장, 철강, 전력, 자동차, 선박, 항공기, 원자력 산업 혹은 해양개발과 관련하여 강한 내식성을 가지며 내열성 및 내온도성, 인성 및 용접성이 양호한 스테인레스강에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 스테인레스강은 12 % 이상의 Cr을 함유하여 표면에 Cr 산화물의 치밀한 피막을 형성하여 내식성이 매우 좋은 재료로써 산업적 활용도가 매우 높은 재료이다.
	스테인레스 재료의 충격특성에 관한 연구는 주로 어떤 것이 행해졌는가?	스테인레스 재료가 수송기계용 구조재로 많이 사용되기 시작하면서 수송기계분야에서 흔히 발생할 수 있는 충격 특성에 대한 연구가 폭넓게 이루어지고 있다. 스테인레스 계열 재료에 대한 충격특성에 관한 연구에서는 주로 낙하 저속 충격시험을 통한 재료의 변형 및 파단 특성을 평가/분석하는 연구가 많이 수행 되어 왔다[1-2]

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