Design and Computational Analysis of Compound Castings and other Multi-Material Structures

본 소개 내용은 [Technische Universität Wien]에서 발행한 ["Design and Computational Analysis of Compound Castings and other Multi-Material Structures"] 의 연구 내용입니다.

Figure 7.4: Manufacturing of the demo prototype. Pictures courtesy of Leichtmetallkompetenzzentrum Ranshofen.

1. 개요:

제목: Design and Computational Analysis of Compound Castings and other Multi-Material Structures
저자: Dipl.-Ing. Robert D. Bitsche
발행 연도: 2009년 4월
발행 학술지/학회: Technische Universität Wien
키워드: compound casting, multi-material structures, quenching simulation, thermal contact conductance, finite element analysis, stress singularities.

2. 초록 / 서론

다중 재료 경량 설계 개념은 구조물의 각 부분에 대해 "최고의" 재료와 제조 공정을 사용하여 서로 다른 재료의 장점을 결합하는 것을 목표로 합니다. 분명히 접합 기술은 이러한 구조물의 제조에 중요한 역할을 합니다. 복합 주조 공정은 주조 공정 중에 주물을 다른 부품에 접합할 수 있도록 합니다. 즉, 주조 공정은 생산 및 접합 공정의 역할을 동시에 수행합니다.
본 논문의 목표는 복합 주조 및 기타 다중 재료 구조물의 분석 및 설계를 위한 전산 방법을 개발하는 것입니다. 유한 요소법과 점근적 분석 기법이 모두 사용됩니다.
복합 주조의 퀜칭(또는 냉각) 중 잔류 응력은 불균일한 과도 온도장과 관련된 재료의 서로 다른 열팽창 계수로 인해 발생합니다. 이러한 응력은 구조물의 마찰 연결 및 기타 중요한 특성(예: 피로 수명)을 결정하므로 퀜칭 공정의 시뮬레이션은 매우 중요합니다.
순수 접촉 계면의 경우, 즉 금속 결합이 없는 경우 계면에서의 열 전달은 접촉 또는 갭을 통해 이루어지며, 복합 주조의 바이메탈 계면에서의 열 접촉 컨덕턴스는 접촉 압력 및 갭 개방에 따라 달라집니다. 본 논문의 주요 발견은 일반적으로 이러한 의존성을 고려하는 것이 복합 주조의 퀜칭 공정 시뮬레이션에 매우 중요하다는 것입니다.
퀜칭 공정 중에는 구조가 기하학적으로 단순하더라도 바이메탈 계면에서 갭이 열릴 수 있습니다. 갭이 열리면 열 접촉 컨덕턴스가 크게 감소하고 열이 주로 열린 갭과 평행하게 흐르게 됩니다.
폼-록킹 및/또는 마찰 연결을 갖는 강철-알루미늄 복합 주조의 실제 사례가 제시됩니다. 일반적으로 이러한 연결의 강도는 유한 요소 시뮬레이션을 통해 잘 예측할 수 있습니다.
다중 재료 구조물의 계면에서 재료 특성이 급격하게 변하면 국부적인 응력 집중이 발생할 수 있습니다. 선형 탄성 이론의 가정 하에서 이러한 응력 집중은 응력 특이점으로 나타날 수 있습니다. 이러한 특이점의 차수가 기하학적 및 재료 매개변수에 따라 어떻게 달라지는지 체계적으로 조사하고, 응력 특이점의 차수를 직접 등록할 수 있는 "설계 차트"를 개발합니다. 이러한 차트를 사용하여 응력 특이점의 차수를 최소화하거나 규칙적인 응력장을 유도하는 기하학적 수정 사항을 결정할 수 있습니다. 종종 비교적 작고 국부적인 기하학적 수정만으로도 큰 개선을 이룰 수 있습니다.
키워드: 복합 주조, 다중 재료 구조, 퀜칭 시뮬레이션, 열 접촉 컨덕턴스, 유한 요소 해석, 응력 특이점.

3. 연구 배경:

연구 주제 배경:

다중 재료 경량 설계 개념은 각 구조 부품에 대해 "최고의" 재료와 제조 공정을 활용하여 다양한 재료의 장점을 극대화하는 것을 목표로 합니다. 접합 기술은 이러한 구조물 제조에 매우 중요합니다. 복합 주조는 주조 공정 자체 동안 주물을 다른 부품에 접합하는 공정으로, 생산 및 접합 방법의 역할을 동시에 수행합니다.

기존 연구 현황:

산업 복합 주조에서 완벽하고 지속적인 금속 결합을 달성하는 것은 어렵습니다. 재료 잠금 연결은 종종 폼 잠금 또는 마찰 연결과 함께 사용됩니다. 그러나 취성 금속간층의 균열은 계면을 따라 전파되어 인접 재료로 편향될 수 있으며, 순수 폼 잠금 또는 마찰 연결에 비해 하중 지지 용량을 잠재적으로 감소시킬 수 있습니다.

연구의 필요성:

잔류 응력은 불균일한 온도장과 서로 다른 열팽창 계수로 인해 복합 주조의 퀜칭 중에 발생합니다. 이러한 응력은 마찰 연결 및 피로 수명과 같은 구조적 특성에 영향을 미치므로 매우 중요합니다. 따라서 퀜칭 공정 시뮬레이션이 필수적입니다. 특히 금속 결합이 없는 경우 바이메탈 계면에서 열 접촉 컨덕턴스를 이해하고 관리하는 것도 정확한 퀜칭 시뮬레이션에 매우 중요합니다.

4. 연구 목적 및 연구 질문:

연구 목적:

본 논문의 주요 목표는 복합 주조 및 다중 재료 구조물의 분석 및 설계를 위한 전산 방법을 개발하는 것입니다. 여기에는 이러한 구조의 복잡성을 해결하기 위해 유한 요소법과 점근적 분석 기법을 모두 사용하는 것이 포함됩니다.

핵심 연구:

복합 주조의 분석 및 설계를 위한 전산 방법 개발.
복합 주조의 퀜칭 중 잔류 응력 발생 조사.
퀜칭 중 바이메탈 계면에서의 열 접촉 컨덕턴스 분석.
다중 재료 계면에서의 응력 특이점 조사 및 "설계 차트" 개발.
강철-알루미늄 복합 주조의 퀜칭, 가공 및 기계적 테스트 시뮬레이션을 위한 유한 요소 모델 적용.

5. 연구 방법론

연구 설계:

본 연구는 전산 방법을 사용하여 유한 요소 해석 및 점근적 분석 기법을 결합하여 복합 주조 및 다중 재료 구조를 조사합니다.

자료 수집 방법:

본 연구는 재료 속성 및 확립된 이론적 모델을 사용한 전산 시뮬레이션에 의존합니다. 강철-알루미늄 복합 주조의 기계적 테스트에서 얻은 실험 데이터는 시뮬레이션의 유효성 검증에 사용됩니다.

분석 방법:

유한 요소 해석(FEA): 퀜칭, 가공 및 기계적 테스트 공정 시뮬레이션에 사용됩니다. 비선형 FEA는 열탄성-소성 재료 거동 및 열 접촉 컨덕턴스를 고려하여 사용됩니다.
점근적 분석: 다중 재료 계면에서 응력 특이점을 조사하고 분석적 표현식 및 "설계 차트"를 개발하는 데 적용됩니다.

연구 대상 및 범위:

재료: 강철(S355, C45E) 및 알루미늄 합금(A356.0) 복합 주조.
공정: 퀜칭 및 열처리 공정, 가공 작업, 기계적 테스트(인장 및 푸시 아웃 테스트).
현상: 잔류 응력, 열 접촉 컨덕턴스, 응력 특이점, 연성 파괴.
형상: 축대칭 인서트가 있는 단순 스텝 바 및 복합 주조 데모 프로토타입.

6. 주요 연구 결과:

핵심 연구 결과:

열 접촉 컨덕턴스: 재료 잠금 연결 없이 강철-알루미늄 복합 주조의 정확한 퀜칭 시뮬레이션을 위해서는 접촉 압력 및 갭 개방에 따라 달라지는 가변 열 접촉 컨덕턴스를 고려하는 것이 중요합니다. 바이메탈 계면의 갭은 열 접촉 컨덕턴스를 크게 감소시켜 열이 갭과 평행하게 흐르게 합니다.
응력 특이점: "설계 차트"는 기하학적 및 재료 매개변수를 기반으로 다중 재료 계면에서 응력 특이점의 차수를 직접 결정하기 위해 개발되었습니다. 이러한 차트는 응력 특이점을 최소화하거나 규칙적인 응력장을 얻기 위한 기하학적 수정에 도움이 됩니다.
유효성 검증: 가변 열 접촉 컨덕턴스 및 재료 모델을 통합한 유한 요소 시뮬레이션은 실제 예에서 강철-알루미늄 복합 주조의 강도 및 파괴 모드를 효과적으로 예측했습니다.

제시된 데이터 분석:

그림 2.2는 퀜칭 중 열 전달 계수의 개략적인 의존성을 보여줍니다.
그림 2.6은 다양한 템퍼에서 A356.0의 0.2% 항복 응력을 보여줍니다.
그림 3.2는 H = 600MPa에 대한 접촉 압력의 함수로서 실제 접촉 면적과 겉보기 접촉 면적의 비율을 보여줍니다.
그림 3.3은 방정식 (3.5)과 표 3.1의 재료 속성 및 표면 매개변수에 의해 설명된 실제 접촉 지점을 통한 전도에 의한 접촉 컨덕턴스를 보여줍니다.
그림 3.9는 강철-알루미늄 계면에서 총 열 접촉 컨덕턴스를 보여줍니다.
그림 6.6은 퀜칭 시뮬레이션 중 온도(섭씨), 반경 방향 응력(MPa) 및 접촉 압력을 보여줍니다.
그림 6.8은 푸시 아웃 테스트에 대한 측정된 힘-변위 곡선과 시뮬레이션으로 얻은 곡선을 비교합니다.
그림 7.9는 퀜칭 후 및 주입구 제거 후 주조 노드에서 원주 방향 잔류 응력을 보여줍니다.
그림 7.10은 주입구 제거 후 Von Mises 등가 응력을 보여줍니다.
그림 7.13은 인장 테스트에 대한 측정된 힘-변위 곡선과 시뮬레이션으로 얻은 곡선을 비교합니다.

Figure 2.2: Schematic dependence of the heat transfer coefficient h on surface temperature ϑ during quenching

Figure 2.6: 0.2% proof stress of A356.0 in different tempers.

Figure 3.2: Ratio of the real to the apparent area of contact as a function of contact pressure for H = 600MPa.

Figure 3.9: Total thermal contact conductance at a steel-aluminum interface.

Figure 6.6: Insert A: Temperature (Celsius), radial stress (MPa) and contact pressure t seconds after immersion into the quenching water; radial deformation scaled by a factor of 40; note the different color legends.

Figure 6.8 compares measured and simulated force-displacement curves for push-out tests.

Figure 7.9 shows circumferential residual stresses in the cast node after quenching and after removal of casting gate.

그림 목록:

그림 2.2: 퀜칭 중 표면 온도 ϑ에 따른 열 전달 계수 h의 개략적인 의존성
그림 2.6: 다양한 템퍼에서 A356.0의 0.2% 항복 응력.
그림 3.2: H = 600MPa에 대한 접촉 압력의 함수로서 실제 접촉 면적과 겉보기 접촉 면적의 비율.
그림 3.3: 방정식 (3.5)과 표 3.1의 재료 속성 및 표면 매개변수에 의해 설명된 실제 접촉 지점을 통한 전도에 의한 접촉 컨덕턴스 hs.
그림 3.9: 강철-알루미늄 계면에서 총 열 접촉 컨덕턴스.
그림 6.6: 인서트 A: 퀜칭수에 담근 후 t초 후의 온도(섭씨), 반경 방향 응력(MPa) 및 접촉 압력
그림 6.8: 푸시 아웃 테스트: 측정된 힘-변위 곡선(왼쪽 열)과 시뮬레이션으로 얻은 곡선(중간 열) 비교
그림 7.9: 주조 노드에서 원주 방향 잔류 응력.
그림 7.10: 모델의 분해된 뷰에 묘사된 주입구 제거 후 Von Mises 등가 응력.
그림 7.13: 인장 테스트.

7. 결론:

주요 연구 결과 요약:

본 연구는 복합 주조 분석 및 설계를 위한 전산 방법을 성공적으로 개발했으며, 퀜칭 시뮬레이션에서 가변 열 접촉 컨덕턴스를 고려하는 것의 중요성을 강조했습니다. 응력 특이점에 대한 "설계 차트"가 만들어져 다중 재료 설계 및 분석에 대한 학술 연구에 귀중한 도구를 제공합니다. 유한 요소 시뮬레이션은 실험 데이터와 비교하여 검증되었으며, 복합 주조 거동에 대한 예측 능력을 입증했습니다.

연구의 학문적 의의:

본 연구는 복합 주조에서 열 전달 및 응력 발생에 대한 기본적인 이해에 기여합니다. 응력 특이점에 대해 개발된 "설계 차트"와 열 접촉 컨덕턴스 시뮬레이션 방법론은 다중 재료 설계 및 분석 분야의 학술 연구에 귀중한 도구를 제공합니다.

실용적 의미:

"설계 차트"는 엔지니어가 응력 집중을 줄여 내구성을 향상시킨 복합 주조를 설계할 수 있는 실용적인 지침을 제공합니다. 검증된 시뮬레이션 방법을 통해 주조 공정을 최적화하고 부품 성능을 예측하여 프로토타입 제작 비용을 절감하고 복합 주조 기술을 활용하는 산업에서 제품 신뢰성을 향상시킬 수 있습니다.

연구의 한계 및 향후 연구 분야:

본 연구는 재료 모델 복잡성과 열 접촉 컨덕턴스 모델에서 특정 매개변수의 가정된 불변성 측면에서 한계를 인정합니다. 향후 연구는 다음 사항에 초점을 맞춰야 합니다.
- 열 접촉 컨덕턴스 모델의 실험적 검증.
- 강철-알루미늄 계면에서 정적 및 동적 마찰 계수 결정.
- 탄성-점소성 구성 모델 및 자연 시효 중 항복 응력의 진화를 포착하는 모델을 포함한 보다 정교한 재료 모델 개발.
- 금속 결합된 복합 주조에서 금속간상의 파괴 역학 매개변수 실험적으로 결정.

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9. 저작권:

본 자료는 "Robert D. Bitsche"의 논문: "Design and Computational Analysis of Compound Castings and other Multi-Material Structures"을 기반으로 합니다.
논문 출처: http://www.ub.tuwien.ac.at/

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