홀 플랜징(hole-flanging) 시뮬레이션 과정에서 메쉬 민감도가 변형 집중에 미치는 영향은 기존 연구에서 대부분 미미한 것으로 보고되었습니다. 홀 플랜징 시뮬레이션 이번 연구는 DP980 박판을 사용한 10mm 홀 플랜징 공정을 3D 유한요소(FE) 시뮬레이션으로 수행하며, 메쉬 레이아웃(홀 둘레의 요소 수(CD), 반경 방향 요소 크기(R1), 시간 분할 크기(T))와 펀치 표면 메싱 기법(분석적 강체와 이산 강체)이 두께 분포와 성형 하중 프로파일에 미치는 영향을 분석했습니다.
연구 결과 요약
- 메쉬 밀도에 따른 민감도
- 메쉬 밀도는 특히 높은 변형 수준에서 결과에 민감했습니다. 홀 가장자리에서 최소 벽 두께는 R1 감소와 CD 증가에 따라 S = 15mm 및 S = 20mm에서 약간 감소했습니다. 그러나 CD70, T = 0.1s, R1 = 0.1mm 조건에서 변형 집중이 S = 20mm에서 나타나기 시작하며 CD90에서 더 심화되었습니다.
- 모델 강성 감소
- 메쉬 크기 축소로 인한 모델 강성 감소가 변형 집중의 주요 원인으로 나타났습니다. 메쉬 크기가 작아질수록 불안정 상태에서 피크 하중이 감소하는 것이 이를 입증합니다.
- 펀치 표면 메싱 기법의 영향
- 동일한 메쉬 레이아웃(CD70, R1 = 0.25mm)에서도 분석적 강체 표면을 이산 강체로 변경하면 최소 벽 두께가 T = 0.1s 조건에서 0.78mm에서 0.56mm로 감소했습니다. 이는 이산 강체 노드가 변형 가능한 블랭크 요소에 지속적으로 침투했기 때문입니다.
- 시간 분할 크기의 민감도
- 최소 벽 두께는 시간 분할 크기(T)가 감소할수록 특히 R1 값이 낮고 CD 숫자가 높은 경우 민감하게 반응했습니다. S = 20mm, R1 = 0.1mm 조건에서 T 값이 1.0s에서 0.1s로 감소할 때 최대 13%의 변동이 관찰되었습니다.
- 비등방성 모델에서의 변형 집중
- 동일한 메쉬 레이아웃(CD50, CD70, CD90)에서도 S = 20mm, T = 0.1s 조건에서 등방성 모델에서는 변형 집중이 나타나지 않았지만, 비등방성 모델에서는 변형 집중이 관찰되었습니다. 특히 CD 숫자가 증가할수록 홀 가장자리에서 벽 두께 분포의 진동 정도가 증가했습니다.
- 메쉬 민감도 연구의 중요성
- 시뮬레이션 피크 하중과 실험 피크를 매칭하여 메쉬 민감도 연구를 수행하는 것이 중요합니다. 이렇게 하면 모델 강성이 실험 결과와 일치하도록 조정됩니다.
- 예측 정확도 개선
- 제안된 메쉬 민감도 연구를 수행한 후, 다양한 실패 기준 및 비등방성 항복 함수에 기반한 홀 확장 비율 또는 변형 집중 예측을 수행해야 합니다. 이를 통해 예측 정확도가 향상될 수 있습니다.
홀 확장성 평가의 장단점
홀 확장성 평가의 장점
- 재료의 성형성 평가 가능
홀 확장성 테스트는 금속 판재의 성형성을 평가하는 데 중요한 지표를 제공합니다. 특히, 고강도 강판(예: DP980)의 성형성 한계를 파악하는 데 유용합니다. - 공정 설계 최적화에 도움
제조 공정에서 사용되는 재료가 구멍 확장 중 얼마나 얇아지고 균열에 민감한지를 알 수 있어 공정 설계와 툴링 최적화에 기여합니다. - 재료 품질 및 비교 가능
서로 다른 재료나 동일 재료의 가공 방법(예: 레이저 컷, 전단 컷 등)에 따른 성형성 차이를 정량적으로 비교할 수 있습니다. - 자동차 산업에서의 적용성
자동차 부품(휠, 서스펜션 부품 등)의 제조에서 필요한 고강도 강판의 성능과 내구성을 사전에 평가할 수 있습니다. 특히 자동차 대상 부품에 대해 추가 연구가 필요합니다.
홀 확장성 평가의 단점
- 결과의 재현성 문제
테스트 조건(구멍 준비 방식, 펀치 형태, 마찰 계수 등)에 따라 결과가 크게 달라질 수 있어 재현성 확보가 어렵습니다. - 시간 및 비용 소모
시험 과정에서 다양한 파라미터(메시 크기, 펀치 속도, 시간 간격 등)를 고려해야 하므로 시뮬레이션 및 실험 비용이 많이 들 수 있습니다. - 모델링 복잡성
정밀한 시뮬레이션을 위해서는 응력 삼축성, 재료 비등방성, 초기 결함 등을 포함한 복잡한 모델링이 필요합니다. 이로 인해 분석 시간이 길어질 수 있습니다. - 실험 조건 제한
실제 제조 환경에서 발생하는 모든 변수(예: 생산 속도, 실제 기계적 마찰 등)를 실험에 반영하기 어렵기 때문에 결과가 현실을 완벽히 반영하지 못할 수 있습니다.
홀 플랜징 시뮬레이션
연료 효율 개선과 탄소 배출 감소를 위해 자동차 산업에서는 경량화된 고강도 강판(AHSS)을 점차 사용하고 있습니다. 그중에서도 DP980은 대표적인 듀얼 페이즈 강재로, 바퀴와 서스펜션 부품 제작에 주로 사용됩니다. 이번 연구는 높은 변형 수준에서 DP980 강판의 홀 플랜징 공정을 분석하여 메쉬 민감도와 시간 분할 크기가 시뮬레이션 결과에 미치는 영향을 체계적으로 평가했습니다.
결론
본 연구는 메쉬 밀도와 시간 분할 크기가 변형 집중에 미치는 영향을 상세히 분석하고, 시뮬레이션 모델 강성 조정과 예측 정확도 개선을 위한 방향을 제시했습니다. 향후 연구에서는 제안된 방법론을 기반으로 다양한 재료와 조건에서의 검증이 필요할 것입니다.
겹치기 기법을 통한 복합재 평가 방법에 대해 궁금하신 분은 아래 내용을 참고하세요.