이중봉 정수압 압출의 실용적 유한요소해석 모델 :A Practical Finite Element Analysis Model for Hydrostatic Extrusion of a Clad Bar

윤상헌

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자료유형: 학위논문

저자정보: 윤상헌 (국민대학교, 국민대학교 대학원)

지도교수: 이용신

발행연도: 2016

저작권: 국민대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수4

이 논문의 연구 히스토리 (7)

2016

이중봉 정수압 압출의 실용적 유한요소해석 모델

윤상헌 기계설계학과 2016.01 학위논문

2014

이중봉 정수압 압출에서 전방패드가 압출하중에 미치는 영향

윤상헌 , 이용신 , 이상목 외 3명 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 2014.05 학술대회자료

2013

이중봉 정수압 압출에서 접합계면부의 결함 성장에 관한 연구

윤상헌 , 이용신 , 이상목 외 3명 대한기계학회 춘추학술대회 2013.12 학술대회자료

이중봉 정수압 압출 공정에서 전방 패드의 형상 설계

윤상헌 , 이용신 , 이상목 외 3명 한국소성가공학회 학술대회 논문집 2013.10 학술대회자료

이중봉 정수압 압출의 실용적 유한요소해석 모델

윤상헌 , 박훈재 , 김응주 외 5명 소성·가공 2013.06 학술저널

정수압 압출 중인 Cu-clad Al 봉의 접합계면에서 기공률변화의 예측에 관한 연구

윤상헌 , 이용신 , 이상목 외 3명 한국소성가공학회 학술대회 논문집 2013.05 학술대회자료

2012

정수압 압출의 유한요소해석에 관한 연구

윤상헌 , 이용신 , 이종섭 외 3명 한국소성가공학회 학술대회 논문집 2012.10 학술대회자료

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이중봉의 정수압 압출공정에서는 이종재간의 접촉면 결합 상태와 이에 따른 접촉면 분리가 제품의 완성도를 결정하게 된다. 이종재의 접촉면의 상태는 압출 공정 중에 이종재 간의 접촉면에 가해지는 압력, 시간, 온도의 조건 및 이에 따른 소재의 응력, 변형률 등 상태변수가 중요하게 되고, 이에 대한 연구가 필요하게 된다. 그러나 이러한 조건은 실험적으로는 알 수 없기 때문에 유한요소해석법을 이용하는 것이 유용하다.
정수압 압출은 소재에 가해지는 압력을 경계조건으로 모델링하게 되면, 소성변형에 의한 비선형 경계치 문제의 경우 해의 수렴이 불안정하여 일반적으로 정수압 압출을 유한요소법에 의한 해석이 불가능하게 된다. 따라서 본 연구에서는 정수압 압출의 유한요소 해석방법으로 압력 경계조건을 간접적으로 표현하는 벌칙 접촉 모델(Penalty contact model)을 제안하였다. 본 연구에서 제안된 벌칙 접촉 모델에 대해 벌칙 접촉 압력과 벌칙 접촉 간격의 영향을 조사하여, 모델의 안정성을 검증하였다. 벌칙 접촉 모델을 적용한 이중봉의 정수압 압출 해석으로 접촉면의 응력, 변형률, 압력 등의 변형이력을 조사하였다. 조사된 변형이력을 결함의 성장, 감소를 예측할 수 있도록 수정한 결함 모델 Shima, Modified Gurson, Modified Lee-Dawson에 적용하여 접촉면의 결함을 분석하고, 각 모델의 특성을 분석하였다. 또한, 벌칙 접촉 모델을 적용한 정수압 압출의 유한요소 해석의 유용성을 검증하기 위하여, 복잡한 정수압 압출 공정에 대한 해석을 진행하였다. 벌칙 접촉 모델을 검증할 공정으로 이중봉 정수압 압출에서 발생되는 압출 초기에 이종재의 분리를 방지하기 위한 방법으로 전방 완충 패드를 제안하고, 벌칙 접촉 모델을 이용한 정수압 압출 공정의 유한요소 해석이 제안된 전방 완충 패드를 이용한 정수압 압출 공정에서도 실용적으로 사용가능함을 검증하였다. 결론적으로 본 연구에서 제안하는 벌칙 접촉 모델이 정수압 압출 공정의 유한요소해석에 실용적으로 사용할 수 있을 것으로 사료된다.
keyword : 벌칙 접촉 모델, 상응 벌칙 유한요소법, 정수압 압출, 이중봉, 결함 모델, 전방 완충 패드, 접촉면

This study is concerned with the development of a practical finite element process model for the hydrostatic extrusion of a clad bar. The prediction and control of deformation behaviors at the contact surface during hydrostatic extrusion of a clad bar are necessary for the successful hydrostatic extrusion of a clad bar. It is almost impossible to obtain the convergent solution of rigid viscoplastic analysis with the pressure boundary conditions for the hydrostatic extrusion process. In order to get a stable convergent solution, a practical finite element analysis model is introduced. In this process model, a penalty contact algorithm is developed to replace the pressure boundary conditions due to the fluid in the container of an extruder. Then, this penalty contact algorithm is incorporated into a rigid viscoplastic finite element program for the analysis of hydrostatic extrusion. Two parameters, a critical penalty contact pressure and a critical penalty contact distance, are introduced and carefully examined for various extrusion process conditions. It is then confirmed that the determination of two parameters in this penalty contact algorithm is not so difficult such that an engineer can use this algorithm practically. The proposed finite element process model equipped with a penalty contact algorithm is applied to the hydrostatic extrusion of Cu-clad Al bar. The finite element predictions are compared in detail to those by experiments reported in the literature. Good agreements between the current predictions and experiments resulted in the validity of the proposed finite element process model. Also, the design procedure for a hydrostatic extrusion process with a front pad is given. Finally, it is concluded that the proposed finite element model is practically useful.
keyword : Penalty Contact Model, Consistent Penalty Finite Element Method, Hydrostatic Extrusion, Clad Bar, Damage Model, Front Pad, Contact surface

제1장 서론 1
1.1. 연구 배경 및 동향 1
1.2. 연구 목적 및 범위 4
제2장 이중봉 정수압 압출 유한요소 해석 모델 6
2.1. 유한요소 수식화 6
2.2. 표면력 경계조건의 벌칙화 7
2.3. 접촉면 결함 모델 13
2.4 전방 완충 패드를 이용한 정수압 압출 공정 16
제3장 정수압 압출 유한요소 해석 모델의 검증 19
3.1. 벌칙 접촉 모델 상수의 영향 19
3.1.1. 임계 벌칙 접촉 압력 21
3.1.2. 임계 벌칙 접촉 간격 22
3.2. 벌칙 접촉 모델의 실험과 비교 23
3.2.1. 정수압 압출 압력 23
3.2.2. 두께 변화 24
제4장 정수압 압출 유한요소 해석 모델의 응용 32
4.1. 접촉면 결함 32
4.1.1. 클래드 접촉면의 변형이력 37
4.1.2. 추적된 변형이력에 근거한 접촉면 결함 해석 62
4.2. 전방 완충 패드를 이용한 정수압 압출 공정 해석 67
제5장 결론 75

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