국부요소망재구성기법을 이용한 절삭공정의 유한요소해석

1) 경상대학교 기계공학부

#) 경상대학교 기계공학부

E-mail:msjoun@gnu.ac.kr

The Korean Society of Manufacturing Process Engineers

심규하1), 김수진1), 전만수#)

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목차

▣ 서 론

▣ 결론

⊙ 문헌조사

⊙ 연구배경 및 목적

⊙ 연구대상

▣ 본 론

⊙ 해석조건

⊙ 해석결과

⊙ 요소망재구성과 수치적 순화

○ 선형등매개변수 요소의 경우 요소 경계에서

응력, 변형률, 변형률속도 등의 상태변수가

불연속.

○ 변형률, 손상도 등과 같은 이력변수는 요소망

재구성으로 수치적 순화가 불가피

○ 이 순화는 곧 정확도를 떨어뜨리는 직접적인

원인이 됨.

⊙ 국부요소망재구성 및 전체요소망재구성

○ 요소망재구성을 줄이는 것이 대책이지만, 이

경우 소재의 경계가 금형을 충분히 표현하지

못하는 문제를 유발하며, 요소의 심한 뒤틀림

은 수치적분 시의 오차를 증가시키는 요인

○ 이러한 문제를 해결하기 위한 목적으로 국부

요소망재구성과 전체요소망재구성의 조화가

필수적 이다.

연구배경 및 목적

0.43

0.37

손상도의 순화 예

1) 황준, 황덕철, 우창기, 양계준, 한국정밀공학회 춘계학술대회, pp1000~1003, 2001

2) 김기환, 문상돈, 신형곤, 김태영, 한국정밀공학회 춘계학술대회, pp988~991, 2001

3) 심규하, 엄재근, 전만수, 한국소성가공학회 춘계학술대회, pp235~238, 2012

4) Kai Liu, Shreyes N. Melkote, Int. J. Mach. Sci 49, pp650-660, 2007

5) Kbdullah Duran, Muammer Nalbant, Mater. Des 26, pp549-554, 2005

6) Pradip Majumdar, R. Jayaramachandran, S. Ganesan, Appl. Therm. Eng. 25, pp2152-2168, 2005

7) Martin Baker, J. Mater. Process. Technol 176, pp117-126, 2006

8) Jun Yan, John S. Strenkowski, J. Mater. Process. Technol 174, pp102-108, 2006

9) Guoqin Shi, Xiaomin Deng, Chandrakanth Shet, Finite Elem. Anal. Des 38, pp863-883, 2002

10) A.G. Mamalis, A.S. Branis, D.E. Manolakos, J. Mater. Process. Technol 123, pp464-475, 2002

11) Z.C. Lin, Y.Y. Lin, Theor. Appl. Fract. Mech 35, pp137-153, 2001

문헌조사

AFDEX3D

Shephard(RPI)

DEFORM3D

M.S. Shephard

DEFORM3D

AFDEX3D vs Shephard(RPI) vs DEFORM3D

0 1.0 2.0

1.0

1

4 3

2 5

6

21

( )

0

2.0

2.01.0

1.0

1

2

3

2

=

=

1 1.0

0

2.0

)(

1.0 2.0

by insight

by least-square method

( )

0

2.0

2.01.0

1.0

1

2

3

2

=

=

1 1.0

0

2.0

)(

1.0 2.0

by insight

by least-square method

상태변수의 순화 이유

1 2 3

1 22 2

2 1 1 3 2 2 30 1

2 2 2

1 2 3 1 2 2 3 1 2 3

( , , )

(( ) 1) (( ) 2 2)

1( 2 3 9 6 15)

3

E

x dx x dx

1 2 3( , , )E

0, 1,2,3i

Ei

1 2

1 2 3

2 3

2 3 0

4 9 0

2 6 0

1 0.75, 2 1.50, 3 2.25

1.125, ① 1.875 ②

요소치를 절점치의 대수평균값

오차함수 가 최소값을 가진 조건

수치적 순화 현상

2 =1.875

1 =1.125

국부요소망재구성 기법

⊙ Case 1

Local remeshing

(r-method)

국부요소망재구성 기법

1.0R 2.0R 3.0R

= weighting factor of boundary nodes ⊙ Case 2 ( 100)W W

R

국부요소망재구성 기법

100W 150W 200W

⊙ Case 2 ( 2.0)R = weighting factor of boundary nodes W

소재 단면크기 및 금형형상

공정도 모델링 (FM Model) 바이트 공작물(평면변형)

홀더

절삭공정 해석 적용

절삭공정 시뮬레이션 - 전체요소망재구성 기법

⊙ Effective strain distribution

2.000

1.795

1.590

1.385

1.180

0.975

0.770

0.565

0.360

0.155

절삭공정 시뮬레이션 - 국부요소망재구성 기법

⊙ Effective strain distribution

2.000

1.795

1.590

1.385

1.180

0.975

0.770

0.565

0.360

0.155

절삭공정 시뮬레이션 - 전체요소망재구성 기법

⊙ Damage distribution

0.4900

0.4390

0.3880

0.3370

0.2860

0.2350

0.1840

0.1330

0.0820

0.0310

절삭공정 시뮬레이션 - 국부요소망재구성 기법

⊙ Damage distribution

0.4900

0.4390

0.3880

0.3370

0.2860

0.2350

0.1840

0.1330

0.0820

0.0310

절삭공정 시뮬레이션 - 전체요소망재구성 기법

⊙ Metal Flow line

절삭공정 시뮬레이션 - 국부요소망재구성 기법

⊙ Metal Flow line

절삭공정 시뮬레이션 – 결과 비교

⊙ Effective strain distribution ⊙ Damage distribution

2.000

1.795

1.590

1.385

1.180

0.975

0.770

0.565

0.360

0.155

전체요소망재구성 기법 전체요소망재구성 기법

국부요소망재구성 기법 국부요소망재구성 기법

0.4900

0.4390

0.3880

0.3370

0.2860

0.2350

0.1840

0.1330

0.0820

0.0310

절삭공정 시뮬레이션 – 결과 비교

⊙ Metal Flow line

전체요소망재구성 기법

국부요소망재구성 기법

절삭공정 해석 적용 – Burr formation

Normalized

Cockroft, Latham

Element deletion

scheme

절삭공정 시뮬레이션 – Burr formation

⊙ Effective strain distribution

⊙ Damage distribution

⊙ Metal Flow line

절삭공정 시뮬레이션 – 비등온공정

⊙ 해석 유형: 비등온해석, 열간

⊙ 공작물조건 - 물성치: AISI_1020 (T=600-1100 ℃) - 초기온도: 700℃ ⊙ 바이트와 홀더의 조건 - 마찰계수: μ=0.1 - 속 도: -10.0 mm/s (x방향 성분) - 초기온도: 200℃(바이트), 20℃(홀더)

절삭공정 시뮬레이션 – 비등온공정

⊙ Temperature distribution

709.4

658.7

608.0

557.3

506.6

455.9

405.2

354.5

303.8

253.0

202.3

해석결과

⊙ Load vs Stroke [xx]

▪ 국부요소망재구성

▪ 전체요소망재구성

0 0

10 20 30 40

0.005

0.01

0.015

0.02

Time[s]

Load[t

on]

0 10 20 30 40

0.005

0.01

0.015

0.02

Time[s]

Load[t

on]

해석결과- 애니메이션_strain

⊙ Global remeshing ⊙ Local remeshing

⊙ Burr formation ⊙ Non-isothermal global remeshing

결론

⊙ 국부요소망재구성기법에 근거한 자동 절삭시뮬레이션 기법을 제시하였음.

⊙ 절삭공정의 해석에 적용하여 기존의 전체요소망재구성기법과 비교함으로써 유용성

을 강조함.

⊙ 국부요소망재구성기법을 통하여 상태변수의 순화를 최소화함으로써 보다 정확한 공정

시뮬레이션이 가능하게 됨.