강화되고 있는 배기가스 규제에 대한 대책으로 고효율의 촉매변환기를 개발하는 과정에서 사용되는 초박벽 담체의 파손을 예측하기 위한 프로그램을 개발하였다. 촉매변환기는 담체, 매트, 캔으로 구성되어 있으며 매트의 압력이 과대하면 담체가 파손된다. 국부적인 과대압력으로 인한 함몰 또는 비대칭 압력으로 인한 촉매의 파손이 발생하게 된다. 반면에 담체의 파손을 방지하기 위하여 매트의 압력을 작게 할 경우 담체가 이탈하는 문제가 발생하기 때문에 적절한 압력의 유지가 필요하다. 따라서 매트의 압력을 예측하고 촉매변환기를 제작하는 캐닝공정에서의 공정능력을 분석하는 프로그램을 개발하였다.
개발된 유한요소해석 프로그램에서 담체는 강체로 취급하였다. 매트는 재료비선형으로 모델링하지 않고 Stress-Strain 곡선을 이용하여 압축되었을 때 작용하는 압력만 캔에 작용하도록 하였다. 캔은 보요소로 모델링 하였으며 동일한 간격의 35개의 절점으로 해석하였다. 다양한 형상과 크기에 대하여서도 비례적으로 균일한 간격을 유지하는 35개의 절점에서 해석을 진행하도록 하였다. 또한 배기가스로 인한 고온의 촉매변환기의 온도에 따라서 캔의 탄성계수, 프와송 비, 열팽창계수의 변화를 반영할 수 있도록 하였다. 설계자는 담체의 크기, 형상, 종류, 길이와 매트의 종류, 길이, 캔의 종류, 두께 등의 입력변수를 입력하면 즉시 유한요소해석이 수행된다. 해석결과는 그래프와 함께 담체와 캔의 간격, GBD, 압력 등의 값으로 표현된다. 해석결과를 비교하기 위하여 ABAQUS를 이용하여 plane strain으로 모델링하여 해석결과를 비교한 결과 매트의 압력은 약 10%, 캔의 변위는 약 5% 이내로 정확하였다. 이로써 개발된 유한요소해석 프로그램의 신뢰성을 입증하였다.
공정능력 분석 프로그램은 6σ 수준의 공정능력을 만족하는 촉매변환기 제품설계를 목표로 하였다. 촉매변환기의 매트 압력에 직접적으로 영향을 주는 담체, 매트, 캔의 3가지 부품의 제작에서 공정능력 수준을 예측하도록 하였다. 담체와 캔은 형상의 크기가 영향을 주며, 매트는 매트의 무게가 촉매변환기의 압력에 영향을 주기 때문에 위의 3가지 경우에 대하여 공정능력을 예측하고 이를 만족하는 임의의 데이터 100,000개씩 생성하였다. 생성된 데이터는 일반적으로 사용되는 통계분석 프로그램인 Minitab과 비교한 결과 약 1% 이내로 일치하는 결과를 얻을 수 있었다. 이처럼 생성된 데이터를 이용하여 가상의 캐닝공정을 수행하였으며 이때 촉매변환기의 캐닝공정에서 발생하는 오차분포를 전제하여 공정능력수준을 예측하고 이를 그래프로 설계자에게 제공하도록 하였다. 캐닝공정의 공정능력 분석결과 Minitab과 개발된 프로그램의 결과가 일치하였다. 이로써 개발된 공정능력 프로그램의 신뢰성을 입증하였다. 또한 고온과 상온상태를 주기적으로 반복하면 매트의 압력이 감소하게 된다. 이러한 압력감소가 담체의 최소지지압력보다 낮아지게 되면 담체가 이탈하게 된다. 이를 확인할 수 있도록 각각의 매트의 압력강하를 데이터베이스화 하였으며 결과를 그래프로 제공하도록 하였다. 특히 최악의 캐닝결과 즉, 최소크기의 담체, 최대크기의 캔, 최소중량의 매트로 캐닝 되었을 때 매트의 압력강하를 함께 출력하도록 하였다. 이때의 압력이 담체의 최소지지압력보다 높아야 적절한 설계가 된다.
본 논문에서 프로그램은 EXCEL로 개발 하였으며 유한요소해석과 공정능력분석을 통합하여 수행할 수 있도록 하였다. 기존에는 설계자가 ABAQUS를 이용하여 해석을 진행 할 경우 모델링과 매시 작업등을 매번 수행하고 해석하였다. 또한 공정능력 분석을 위해서는 ABAQUS가 아닌 Minitab을 이용하여 수행하였다. 하지만 두 가지 프로그램을 통합함으로서 설계자는 간단한 데이터베이스를 이용하여 유한요소해석을 수행하고 동시에 공정능력 분석도 가능하게 되었다. 특히 유한요소해석은 ABAQUS에서 5분 이상 소요되는 해석시간을 개발된 프로그램을 이용하여 30초 이내에 해석이 가능하게 되었다. 유한요소해석과 공정능력분석은 EXCEL의 Macro기능을 이용하여 설계자가 담체의 크기, 형상, 종류, 길이와 매트의 종류, 길이, 캔의 종류, 두께 등의 입력변수만 선택하면 자동으로 수행되도록 하였다. 또한 해석 결과를 그래프와 값으로 설계자에게 직접 제공하여 설계의 적합성 판단이 용이하다. 또한 담체, 매트, 캔의 데이터베이스가 용이하여 향후 프로그램의 유지, 관리가 용이하다.

Exhaust gas regulations is being more tightened. So we need to develop high efficiency catalytic converters. In this paper, a program for predicting fracture of catalytic converters with ultra-thin wall substrate was developed.
Catalytic converter consists of substrate, mat and can and if mat pressure is too high, the substrate may fracture. For example, if local mat pressure is too high, it may cause the local dent. Also if asymmetric pressure is too high, it may cause the brittle fracture. On the contrary, if mat pressure is too low, the substrate may slip freely. Appropriate mat pressure is needed. We developed a finite element program for prediction of GBD to improve canning process capability for catalytic converters.
It is assumed that the substrate is rigid, the mat is material nonlinear and the can is linear elastic. The can is modeled as a beam element to resist both bending and uniform tension-compression. The number of elements is fixed to 35 and the iterations to 20 and the general substrate shape and type can be modeled. Elastic modulus, Poisson''s ratio and coefficient of thermal expansion are influenced by high temperature of exhaust gas. Once substrate shape, type and length, mat type and length, can type and thickness are entered by engineers, the FEM is completed in a second. The results were compared to ABAQUS results under plane strain state. The results show a 10% difference in mat pressure, 5% difference in can displacement. The solutions are in good agreement and the reliability of program was proved.
Goal of process capability analysis program was satisfied in design of catalytic converter with 6σ process capability. Substrate, mat and can have an effect in mat pressure of catalytic converter directly. So we created random data of substrate, mat and can size and predicted process capability. Substrate and can shape influence the mat pressure and mat weight influence the mat pressure. So we created the 100,000EA random data of each component and compared them with Minitab used usually in process capability analysis. The result showed 1% difference in generated random data. Those random data were used in imaginary canning process and the results were plotted for engineers to decide that design is good or bad.
Process capability analysis results of canning process were identical with Minitab results. So the reliability of program was proved. Mat pressure will be decreased as mat temperature is raised from normal temperature to high temperature. Mat pressure should be always higher than required mat pressure. If mat pressure is lower than required mat pressure, substrate may slip freely. So we displayed pressure decrease of mat by graph. Specially, we displayed a worst case result for minimum substrate size, minimum mat size and maximum can size.
This program was developed using EXCEL. FEM and process capability analysis were combined. Until now engineers have done each analysis of catalytic converter by ABAQUS and Minitab. Using this program engineers can do analysis at once. FEM analysis took almost 5 minute in ABAQUS but this program takes only 1 minute for FEM analysis and process capability analysis. The most advantageous is, since this program is made by Macro, once engineers input the substrate shape, length and type, mat type and length, can type and thickness, analysis of FEM and process capability come into action automatically and most results are displayed by graph. So engineers can decide that the design is good or bad. Finally maintenance of program is very easy.