평면 펀치 홀 확장 시험은 판재의 성형성을 평가하고 이방성 소성 모델을 검증하는 데 널리 사용되고 있습니다. 이 연구의 목적은 평면 변형 응력 상태가 항복 함수 보정과 홀 확장 시험의 변형 역학에 미치는 영향을 조사하는 것입니다. 이번 글에서는 3세대 홀확장성 특성이 좋은 1180 강판에 대해 홀 확장 시험 비교 평가 및 해석 결과에 대해 알려드리겠습니다. 홀 확장 시험 모델 재료의 특성과 주요 연구 결과에 대해 알려드릴게요.
홀 확장 시험 연구 방법
홀 확장 시험 모델 재료 및 항복 함수 보정
AA6022-T4 알루미늄 합금을 모델 재료로 사용하여 세 가지 다른 항복 함수 보정 방법을 적용했습니다:
- Calib I: 평면 변형 상태가 s2 = 0 또는 σ2/σ1 = 0.5에서 발생하도록 강제
- Calib II: 평면 변형 상태가 등이축 상태 근처에서 발생하도록 설정
- Calib III: 평면 변형 상태가 단축 인장 근처에서 발생하도록 설정
3세대 1180 강의 특성화 및 시뮬레이션
실제 재료인 3세대 1180 강에 대해 구성 및 소성 특성화를 수행하고, Yld2000 및 Yld2004 항복 기준을 사용하여 홀 확장 시험을 시뮬레이션했습니다.
홀 확장 시험 특징
- 높은 연성과 성형성을 가짐
- 홀 확장 시 균열 발생이 적음
- 복잡한 형상의 부품 제작에 유리함
- 일반적으로 낮은 항복강도와 높은 연신율을 보임
홀 확장 시험 장점
- 복잡한 형상의 부품 제작이 용이함
- 홀 가공 후 품질이 우수함
- 성형 공정에서 균열 발생 위험이 낮음
- 다양한 가공 방식 적용 가능
홀 확장 시험 단점
- 강도가 상대적으로 낮아 구조용 재료로 사용 시 제한적임
- 가공 경화가 심해 2차 가공이 어려울 수 있음
- 고강도 강에 비해 내마모성이 떨어짐
- 원자재 가격이 일반 강에 비해 높은 편임
홀 확장성이 좋은 강은 자동차 차체 패널이나 복잡한 형상의 부품 제작에 주로 사용되며, 성형성과 가공성이 우수하다는 장점이 있습니다. 그러나 강도 면에서는 일반 강에 비해 떨어지는 단점이 있어 용도에 맞게 선택적으로 사용해야 합니다. 홀 확장성이 좋은 강은 합금성분이 일반 강보다는 조금 더 많이 적용되어 있기 때문에 용접성 등 특성에 대한 연구가 더 필요합니다.
주요 연구 결과
응력 및 변형률 상태 분석
- 주응력 비율(σ2/σ1)은 항복 함수 보정에 크게 영향을 받지 않았지만, 주변형률 비율(ε2/ε1)은 크게 영향을 받았습니다.
- 이는 홀 확장 시험이 응력 제어 경계 조건을 가지고 있음을 보여줍니다.
평면 변형 위치의 영향
- ε2 = 0인 위치는 평면 변형 영역에서의 항복 함수 보정에 크게 영향을 받았습니다.
- Calib II는 ε2 = 0 위치를 홀 가장자리에서 멀어지게 했고, Calib III는 가장자리 쪽으로 이동시켰습니다.
두께 분포 예측
- 최대 두께 감소 위치도 평면 변형 영역에서의 항복 함수 보정에 따라 달라졌습니다.
- 간단한 분석적 접근법을 제안하여 홀 주변의 두께 분포를 추정했습니다.
3세대 1180 강의 홀 확장 시험 결과
경화 거동 특성화
- 인장 기반 면적 감소 방법(ARM)과 전단 변환 방법을 사용하여 큰 변형률 수준까지의 경화 거동을 특성화했습니다.
- 두 방법의 결과가 매우 일치했으며, ARM은 50% 소성 변형률까지, 전단 변환 방법은 70%까지 특성화할 수 있었습니다.
시뮬레이션 결과
- Yld2004 모델과 솔리드 요소를 사용한 시뮬레이션이 파단 직전까지 전체적 및 국부적 응답을 정확히 예측했습니다.
- 평면 응력 Yld2000 모델은 파단 변위의 90%까지는 정확했지만, 그 이후 국부화를 제대로 포착하지 못했습니다.
결론
이 연구는 평면 펀치 홀 확장 시험의 변형 역학과 이방성 소성 모델의 평가에 대한 중요한 통찰을 제공합니다. 주요 결론은 다음과 같습니다:
- 홀 확장 시험은 응력 제어 특성을 가지며, 연관 항복 함수의 보정이 국부 변형률 분포를 결정하는 데 중요합니다.
- 평면 변형 영역에서의 항복 함수 보정은 ε2 = 0 위치와 최대 두께 감소 위치에 큰 영향을 미칩니다.
- 제안된 간단한 분석적 접근법은 홀 주변의 두께 분포를 추정하는 데 유용합니다.
- 3세대 1180 강의 경우, Yld2004 모델과 솔리드 요소를 사용한 시뮬레이션이 파단 직전까지 가장 정확한 예측을 제공했습니다.
- 평면 변형 제약 조건을 적용한 항복 함수 보정과 대변형 경화 특성화 기법을 결합하면 신뢰성 있는 모델 예측이 가능합니다.
이러한 결과는 홀 확장 시험뿐만 아니라 단축에서 평면 변형 인장까지의 다양한 응력 상태를 활성화하는 다른 시험과 성형 및 충돌 시뮬레이션에도 적용될 수 있을 것으로 기대됩니다.
이번 글에서는 홀 확장 시험 결과에 대해 비교 분석한 결과를 알려드렸습니다. 추가적인 정보가 필요하신 분께서는 아래 글을 함께 살펴보세요.
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