CTBA 성형 공정 최적화 번역

CTBA 성형 공정 최적화 번역(한국어 원본)

1. INTRODUCTION
CTBA는 차량의 비틀림 강성을 제어하기 위한 후륜 서스펜션 부품으로서 양쪽 차량 바퀴의 트레일링 암(trailing arm)과 연결된다. CTBA는 비틀림 하중을 지지하는 역할을 담당하며, 노면으로부터의 진동 흡수성과 구조안전성, 내식성 등이 요구된다[1]. CTBA는 관재 또는 판재 적용에 따라 성형 방법이 두가지로 나누어진다. 관재를 이용하는 경우에는 하이드로포밍(hydroforming)[2]이나 핫스템핑(hot-stamping)[3] 공법이 적용되고 있으며, 판재를 이용하는 경우에는 스템핑 성형 후 용접 공정을 통해 관재 형상을 완성시키게 된다. 관재에 하이드로포밍이나 핫스템핑 공법을 적용하는 방법은 투자비 및 공정비가 비싸다는 단점이 있다. 따라서 판재에 스템핑 공법을 이용하여 용접 처리를 하는 방법이 비용적 측면에서 유리하지만, 용접성(weldability) 확보에 대한 어려움이 있다. 용접성이 확보되지 않을 경우, 구조안전성 및 피로내구성이 저하되어 상품성을 떨어뜨리게 된다. 판재를 이용한 CTBA 성형 공정은 Figure 1과 같으며, 관재를 형성시키기 위해 Figure 2와 같이 판재의 양끝 엣지(edge)가 서로 맞닿게 하여 용접이 적용된다. 용접성을 확보하기 위해서는 양끝 엣지부의 접촉 각도가 최소화 되어야 하지만, 다공정의 과정을 거쳐 발생하게 되는 변형에 의해 엣지부 접촉 각도 변화가 발생하게 된다. 따라서 최종 형상에서 발생하는 접촉 각도를 예측하여 초기 블랭킹 공정에서 엣지 각도를 결정하여야만 용접 공정시 충분한 용입과 결함 발생률을 줄일 수 있다 [4].
본 논문은 판재를 이용한 CTBA의 용접성을 향상 시키기 위해 블랭킹 공정 변수에 관한 연구를 수행하였다. 판재의 엣지부 파단 형상을 예측하기 위하여 블랭킹 공정에서의 파단해석이 진행되었으며, 연속체 역학 기반의 파단모델이 적용되었다. 파단모델 구성을 위해 다양한 재료시험이 수행되었으며, 재료시험으로부터 파라미터 계산을 위한 데이터들을 확보하였다. 용접 공정에서 필요로되는 엣지부 각도를 예측하기 위하여 CTBA의 다공정 성형 공정에 대한 단면해석이 진행되었으며, 해석으로부터 도출된 각도를 확보하기 위한 블랭킹 공정 변수 연구가 수행되었다. 블랭킹 공정 변수는 실제 적용 가능한 범위에서 결정되었으며, 최종적으로 각도 확보를 위한 블랭킹 공정에서의 다이와 펀치의 간극 및 홀딩력이 결정되었다.

2. MATERIAL TEST OF BORON STEEL
CTBA의 블랭킹 공정 변수 연구 시 전단면의 형상 및 전단 각도를 예측하기 위해서는 파단모델의 적용이 필수적이다. 본 논문에서 적용한 CTBA 소재는 Boron steel로서 두께는 3.2t를 갖는다. Boron steel의 재료 거동 특성을 분석하기 위하여 단축인장시험을 수행하였으며, 연속체 역학 기반의 파단모델을 적용하기 위하여 전단시험 및 노치시험으로부터 파단특성을 분석하였다. 재료시험에 대한 각 시편 형상은 Figure 3과 같으며, 재료시험을 통해 하중-변위 선도 및 응력-변형률 선도를 확보하였다. 각 시편 형상은 다양한 응력 모드를 표현해주고 있으며, 각 모드에 따른 파단의 시작을 결정해줄 수 있다.
재료시험 결과, Figure 4와 같은 파단 단면을 확인할 수 있었으며, 전형적인 연성 파단이 관찰되었다. 단축 인장 시편의 경우, 네킹 이후 전단변형에 의해 영향을 받기 때문에 파단면에서 두께 방향으로 약40°의 경사면이 발생하였으며, 거시적 관점에서의 전단밴드(shear band)가 생성된 것을 확인할 수 있었다.

3. CALIBRATION AND VERIFICATION OF DAMAGE MODEL
블랭킹 공정에 의한 파단예측을 수행하기 위해서는 파단조건을 고려한 재료모델링 과정이 필요하다. 따라서 재료시험으로부터 확보된 데이터를 바탕으로 재료모델링을 수행하였으며, 구성모델과 파단모델을 조합하였다. 구성모델의 경우, 등방성 항복조건과 등방성 경화식을 적용하였으며, 파단모델의 경우, 연속체 역학 기반의 데미지 모델을 적용하였다. 금속소재의 파단은 변형률의 함수로서 표현될 수 있으며, 데미지 누적에 대한 개념으로서 설명된다. 파단변형률을 결정하는 것이 무엇보다 중요하며, 일반적으로 공극의 생성과 성장, 병합 과정을 설명하기 위해 stress triaxiality 및 Lode parameter에 대한 개념이 도입된다. 파단변형률(fracture strain)을 stress triaxiaility와 Lode parameter에 의존하는 데미지 누적 함수로 표현하며, 이를 구성식에 포함시킴으로서 파단을 예측할 수 있다. 본 논문에서 적용한 파단조건은 stress triaxiality에 의존하는 함수로서 상용 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS에서 지원하는 Ductile fracture model을 이용하였으며, 데미지 진전을 표현하기 위해 damage evolution option을 사용하였다 [5].

여기서 는 stress triaxiality, 은 equivalent plastic strain rate를 의미한다. 은 해석이 진행되는 동안 매 증분(increment)당 누적되는 값이며 이 값이 1이 될 때 파단조건이 성립한다. 데미지를 받은 재료의 응력은 아래 식을 통해 재구성된다. 는 계산된 데미지 값을 의미한다.
파단모델의 파라미터는 stress triaxiality에 대한 파단변형률의 관계를 정의함으로서 구성할 수 있으며, 정의된 파라미터의 적합성을 판단하기 위해 각 시편모델에 대한 파단해석을 진행하였다. 검증 결과 Figure 5와 같이 시험과 비교적 잘 일치하는 것을 확인할 수 있었으며, explicit code의 특성으로 인해 파단이 시작된 이후 하중값이 튀는 현상이 나타났지만, 하중 저하 경향이 시험과 유사하였다.

CTBA 성형 공정 최적화 번역(영어 번역본)

1. INTRODUCTION
CTBA is a rear suspension component, connected to trailing arms of both wheels, used for controlling torsional rigidity of a vehicle. CTBA supports torsional loads and required to absorb vibrations from road surface and have structural stability and corrosion resistance[1]. Fabrication of CTBA may be done in two different ways depending on the materials-pipes or sheets, used. When pipe materials are used, hydroforming[2] or hot-stamping[3] process is generally used and sheet materials are fabricated into pipe materials through stamping and welding processes. Using hydroforming or hot-stamping processes on pipe materials have disadvantages that it requires a large amount of initial investment and manufacturing costs are also high. On the other hand, using stamping processes and welding is more advantageous in the aspect of cost, but there are some difficulties associated with ensuring weldabilities of the material. If good weldability is not ensured, the structural stability and fatigue durability may be compromised and the product quality will diminish as well. The CTBA fabrication using sheet materials are shown in the Figure 1 and the edges on the both ends of the sheet materials are welded together as shown in the Figure 2. In order to ensure the good weldability, the contact angles of the edges must be minimized, but the contact angles vary due to deformations that are inevitable to avoid in various processes. Therefore, the edge angles must be determined at the initial blanking process by predicting the contact angle to be formed at the final shape in order to ensure adequate weld penetration and minimize defects [4].
In this study, blanking process parameters for improving weldabilities of sheet materials used for CTBA have been examined. In order to predict the fracture shapes of sheet edges, we conducted fracture analysis at the blanking processes and applied continuum mechanics based fracture models. Various materials tests have been performed to construct the fracture modle and data for calculationg of parameters have been obtained from the tests. In order to predict the edge angles that are required in the welding process, section analysis have been performed for the multi-stage processes of CTBA fabrication. In addition, studies for blanking process parameters have been conducted for implementation of the angles obtained from the analysis. The blanking process parameters have been determined within an extent that is practical to implement and finally the gap and holding strength of the die and punch set for implementation of the angles were determined .
2. MATERIAL TEST OF BORON STEEL
For the prediction of the shape and the shearing angle of the shear surface in the study of CTBA blanking process parameters, application of fracture models are mandatorily necessary. Materials applied in this study are boron steels with 3.2t thicknesses. Uniaxial tension tests were performed to analyze the material behavior characteristics of boron steels and the fracture characteristics were analyzed through shearing tests and notch fracture tests in order to apply continuum mechanics based fracture models. The Figure 3 shows shapes of the samples used in the material tests and load-displacements curves and stress-deformation curves were obtained through the materials tests. The sample shapes describe various modes of stresses and can determine the fracture initiations depending on the modes.
As the results of materials tests, the fracture surfaces shown in the Picture 4 have been examined, in which typical ductile fractures were witnessed. In case of the uniaxial tension sample, an inclined plane at about 40° was formed in the direction of thickness because of the influence of shear deformation after necking process and we were able to confirm that shear bands at macroscopic level were formed.
3. CALIBRATION AND VERIFICATION OF DAMAGE MODEL
In order to predict the fracture from blanking processes, we needed a material modeling which reflected the fracture conditions. Therefore, we performed a material modeling based on the data obtained from the materials tests and combined the construction model and the fracture model. In case of the construction model, we applied isotropic yeild conditions and isotropic hardening formulations. And in case of the fracture modle, we applied a continuum mechanics based fracture model. Fractures of metal materials can be expressed as a function of deformations and are explained as a concept of accumulated damages. The determination of fracture strains is more important than anything and concepts of stress triaxiality and lode parameters are generally used to explain the formation, growth, and amalgamation of pores. Fractures can be predicted by expressing the fracture strains as a function of accumulated damages, which depends on the stress triaxialities and the lode parameters, and including this function in the construction equation. As the fracture condition used in this study, a ductile fracture model supported by a commercially available finite element analysis program, ABAQUS, which is a function that depends on stress triaxialities, and the damage evolution option is used to describe the damage progresses [5].
Here, η means the stress triaxiality, means the equivalent plastic strain rate. is the value accumulated per each encrement during the analysis and the fracture condition is satisfied when the value reaches 1. The stress of damaged materials are reformulated through the equations shown below. D refers to the calculated value of damages.
The parameters of fracture model can be constructed by defining the relationships between the fracture strains and the stress triaxiality. Suitibilities of defined parameters were validated through fracture analysis of each sample models. As the results of validation process, the Figure 5 shows that they coincide relatively well with the tests. The load value showed a sudden high after the fracture initiated because of characteristics of explicit codes, however, the load tended to decline similarly to the tests.