주관기관 포스코(주) 
시작일자 19991201 
종료일자 20030930 
Abstract
현재의 자동차산업은 경량화와 고 안전성의 확보를 동시에 만족시키기 위하여 새로운 생산공법의 적용 및 고장력 강판을 활용하기 위한 적극적 노력이 요구되고 있다. 자동차에 사용되는 소재 중 철강 소재의 적용 비율이 70년대에 비해 90년대에는 약 10% 정도 감소하였으나, 주요한 차량 소재는 철강소재로 이루어져 있다. 차량 경량화에 대한 연구는 철강 소재를 경량 소재로 대처하거나 기존 소재를 고강도화 하는 방법으로 나눌 수 있다. 고강도 소재를 사용하여 차량의 경량화를 이루기 위해서는 새로운 개념의 설계방안을 마련하여 차량의 경량화를 이루는 동시에 차량의 안전도를 향상시킬 수 있도록 해야하며, 이를 위해서는 반드시 고장력 강판의 충돌 특성 및 성형성에 대한 연구가 필수적이다. 박판 재료는 대부분 압연을 통하여 만들어지므로 두께가 매우 얇다. 따라서 압축 시험을 통하여 물성치를 획득하기에 어려움이 따르게 되므로 기존의 압축형 홉킨슨 바를 이용하여 시험하기에는 부적합한 점이 있게 된다. 본 연구에서는 인장형 홉킨슨 바를 사용하여 고장력 강판의 동적 물성치를 구하고자 하며, 이를 바탕으로 차체 구조물의 정확한 충돌 해석을 수행하고자 한다.

Objective
- 홉킨슨 바 시험기 및 충격 시험기를 이용하여 고장력 강판의 충격에너지 흡수 능력 평가
- 개발된 유한요소 코드를 이용한 소재의 성형해석 수행
- 제안된 고장력 강판의 동적 구성방정식 및 성형해석 결과를 적용하여 유한요소 충돌해석 수행
- 차량 구조물의 설계시 경량화 및 충격 안전성 향상을 도모하기 위한 고장력 강판의 적용 방안 마련

Contents
본 연구에서는 인장형 홉킨슨 바를 사용하여 고장력 강판(CQ, DQ, EDDQ, 35E , 35R, 40E, 40R, 45E, 60C, 60TRIP, 80TRIP, 100TRIP, 열연TRIP강)의 동적 물성치를 구하고자 하며, 이를 바탕으로 차체 구조물의 정확한 충돌해석을 수행하고자 한다. 고장력 강판의 고속 물성치는 인장형 홉킨슨 바 시험기를 이용하여 얻을 수 있다. 인장형 홉킨슨 바 시험기는 보통 1000/sec - 10,000/sec의 변형률 속도 범위에서 재료의 물성치를 얻기 위하여 사용되며, 얻어진 물성치를 바탕으로 재료의 적절한 구성방정식을 구하게 된다. 48km/h의 속도로 차량이 충돌하게 될 경우 충돌 초기에는 최대 300/sec 정도의 변형률 속도로 구조물이 변형을 하게 된다. 그러나 변형이 진행되어 감에 따라서 변형률 속도는 100/sec이하로 크게 떨어지게 된다. 그러므로 인장형 홉킨슨 바를 이용하여 측정된 물성치를 충돌해석에 적용하기 위해서는 10 - 500/sec 의 변형률 속도에 대한 물성치 연구가 필요하게 된다. 자동차용 강판의 경우 Johnson-Cook이 제안한 모델이 기본적으로 사용될 수 있다. 이때에는 변형률 속도 경화효과를 1/sec에서 1000/sec의 구간의 값을 일차식으로 근사하여 사용하게 되지만, 자동차용 강판의 경우에는 이것이 실험결과와 잘 일치하지 않으므로 변형률 속도경화 항을 일차 식에서 고차식으로 수정할 필요가 있다. 그러나 고차식으로 수정된 구성방정식의 신뢰성을 확보하기 위해서는 10-500/sec대의 변형률 속도 범위에서의 물성치 실험이 수행되어야 한다. 본 연구에서는 10-500/sec대의 변형률 속도 범위에서 제안된 구성방정식의 신뢰성을 검증하고자 하며, 이를 위하여 사각관 등의 단순 구조물의 충돌 실험을 수행할 수 있도록 새로운 충격 시험기를 제작하고자 한다. 충격시험기는 공압을 이용하여 발사체를 48km/h의 속도로 발사할 수 있도록 제작하며, 이때 얻어지는 사각관의 변형률 속도는 500/sec이하가 되도록 한다. 충격 시험기의 가용 운동에너지는 1000 J의 범위로 하고, 유한요소 해석을 이용하여 이에 적절한 사각관 형태의 충돌 시편을 설계한다. 충돌 시편은 고속 물성치 시험을 수행한 자동차용 강판을 이용하여 제작하며, 충돌 하중의 최대값과 평균값을 측정하고 시편의 최대 변형정도를 측정한다. 충격시험을 통한 구성방정식의 검증 과정에는 유한요소 해석을 이용한 수치해석 결과와 실험 결과의 비교, 분석이 필요하고, 또한 정확한 해석 결과의 획득을 위해서는 변형률 속도 경화 효과뿐만 아니라 충돌 시편의 제작시 발생할 수 있는 성형 후 잔류 응력 등을 고려한 충돌 해석이 수행되어야 한다. 변형률 속도경화 효과를 검증하기 위하여 인장형 홉킨슨 바를 이용하여 얻어진 결과를 Johnson-Cook 구성 방정식 및 이의 수정된 형태의 구성방정식을 이용하여 나타낸다. 수정된 구정방정식은 J-C모델의 변형률 속도 경화항을 삼차 식을 이용하여 나타낸 것이다. 변형률속도 경화항을 일차 식으로 근사한 J-C모델을 적용한 경우와 삼차 식을 이용한 수정된 구성방정식을 적용한 각각의 충돌해석을 수행하고 최대 하중 및 평균 하중 값을 실험결과와 비교한 후 그 오차를 분석한다. 본 연구에서는 재료의 비선형성 및 접촉시의 기하학적 비선형성을 고려하기 쉽도록 외연적 시간적분 방법을 채택하였다. 충돌해석에는 변형률 속도 경화 효과를 정확히 고려한 응력 계산이 필요하므로, 이에 적합한 방법으로 알려져 있는 소성예측-탄성보정법을 이용한 효과적인 응력 적분방법을 도입하여 쉘 요소에 적용하고자 한다. 이와 같은 실험 및 유한요소 해석을 통하여 차량 구조물에 TRIP(Transformation Induced Plasticity)강 등의 고장력 강판의 적용시 차량 중량 절감 효과 및 충돌 안전성 향상을 위한 효과적인 연구를 수행할 수 있다.

Results

- 인장형 홉킨슨 바 실험기


- 입력파와 충격파


- 변형률속도의 변화에 따른 응력-변형률의 동적 관계식  


- 변형률 속도에 따른 항복 응력의 변화


Author
강우종(졸업생)
김기풍(졸업생)  
임지호(졸업생)  
송정한(박사과정)




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