Abaqus에서의 콜드 스프레이 및 샷피닝 시뮬레이션

Abaqus에서의 콜드 스프레이 및 샷피닝 시뮬레이션

Abaqus에서의 냉간 분무 시뮬레이션은 압축 가스를 사용하여 미세 분말 입자를 고속으로 가속하고, 그 후 기판에 충돌하는 과정을 모델링하는 것을 포함합니다. 이 시뮬레이션은 일반적으로 기판과 입자의 소성 변형, 접촉 거동, 그리고 열적 특성을 고려하기 위해 재료 모델과 알고리즘을 사용합니다. 시뮬레이션의 목표는 재료의 변형, 결합, 그리고 증착을 포함하여 공정 중 입자와 기판의 거동을 예측하는 것입니다.

쇼트피닝은 금속 표면의 특성, 특히 피로 및 응력 부식 균열에 대한 저항성을 향상시키는 데 사용되는 냉간 가공 공정입니다. 쇼트피닝에서는 쇼트라고 하는 작은 구형 펠릿을 처리 대상 재료 표면에 고속으로 분사합니다. 이 펠릿은 표면에 충격을 가하여 압흔을 형성하고 재료에 소성 변형을 유발합니다.

Abaqus는 ALE 및 SPH 방법을 포함하여 냉간 분무 및 숏 피닝을 시뮬레이션하는 여러 가지 방법을 제공합니다. 이러한 방법을 사용하면 온도 및 잔류 응력과 같은 요소를 고려하면서 코팅의 증착 효율과 특성을 정확하게 예측할 수 있습니다. Abaqus의 냉간 분무 시뮬레이션은 공정을 최적화하고 증착되는 재료의 품질을 향상시키는 데 중요한 도구입니다.

워크숍 1: SPH 방법을 이용한 콜드 스프레이 공정 시뮬레이션

이 튜토리얼은 Abaqus에서 SPH 방법을 사용하여 저온 분무 공정을 시뮬레이션하는 방법에 중점을 둡니다. 저온 분무는 압축 가스를 사용하여 미세 분말 입자를 고속으로 가속하여 기판에 충돌하는 순간 급격한 소성 변형을 유발합니다. 이러한 변형은 표면 산화막을 효과적으로 제거하여 금속 표면 간의 긴밀한 접촉을 형성하고, 이는 접합을 촉진하며 두꺼운 재료 층을 빠르게 증착할 수 있도록 합니다. 저온 분무의 증착 효율은 일반적으로 매우 높으며, 때로는 90%를 능가하기도 합니다. 반면, 기존의 열용사 방식은 열에너지를 사용하여 원료를 녹이거나 연화시키는데, 이는 코팅 재료의 열적 열화 및 부분 산화를 유발할 수 있습니다. 산화에 매우 취약한 금속 재료의 경우, 열용사는 보호된 분위기 또는 진공에서 수행해야 하므로 비용이 증가합니다. 또한 열용사 공정은 코팅에 잔류 응력을 발생시켜 두께를 제한할 수 있으며, 과도한 내부 응력 및 잠재적인 기판 열화를 방지하기 위해 열 평형을 신중하게 관리해야 합니다. 반면, 저온 분무는 높은 열 부하 없이 재료를 증착할 수 있으므로 기공률과 산소 함량이 낮은 코팅을 얻을 수 있습니다.

동적 명시적 절차는 SPH 공식화에 활용되었으며, SPH 요소는 온도를 고려하지 않기 때문에 출력의 열 변수를 고려하기 위해 일부 수정이 이루어졌습니다. 입자에 높은 초기 속도를 부여하여 시뮬레이션 중 온도가 녹는점보다 훨씬 낮았음에도 불구하고 상당한 소성 변형이 발생했습니다. 이러한 결과는 저온 분무 공정에 적합합니다.

워크숍 2: ALE 방법을 사용한 콜드 스프레이 공정 시뮬레이션

이 튜토리얼에서는 Abaqus에서 ALE 방법을 사용하여 냉간 분무 공정을 시뮬레이션하는 방법을 살펴봅니다. 냉간 분무에서는 작은 분말 입자가 압축 가스를 사용하여 고속으로 가속되어 기판에 충돌 시 급격한 소성 변형을 일으키고 금속 및 합금 표면 산화막을 파괴합니다. 금속 표면 간의 이러한 긴밀한 접촉은 결합을 촉진하고 두꺼운 재료 층을 고효율로 빠르게 증착할 수 있도록 합니다. 반면, 열용사 방법은 열에너지를 사용하여 공급 원료를 녹이거나 연화시키는데, 이는 코팅 재료의 바람직하지 않은 열적 열화 및 부분 산화를 초래할 수 있습니다. 산화되기 쉬운 금속 재료의 경우, 열용사는 보호된 분위기 또는 진공에서 수행해야 하므로 추가 비용이 발생합니다. 또한 열용사는 코팅에 잔류 응력을 발생시켜 달성 가능한 두께를 제한하고 과도한 내부 응력 및 잠재적인 기판 열화를 방지하기 위해 열 균형을 신중하게 관리해야 합니다. 열용사 방법과 달리, 냉간 분무는 높은 열 부하 없이 재료를 증착할 수 있어 기공률과 산소 함량이 낮은 코팅을 생성합니다.

본 연구에서는 입자와 타겟 모두에 AL 재료를 사용하여 입자를 3차원 마이크로미터 크기의 물체로 모델링했습니다. 이러한 유형의 분석에는 Dynamic Temp Explicit 방법이 적합했습니다. 분석 결과 입자와 타겟 모두에서 상당한 소성 변형이 나타났으며, 시뮬레이션을 통해 얻은 온도 데이터는 실험 데이터와 일치했습니다.

워크숍 3: 세라믹 입자의 콜드 스프레이 시뮬레이션이 티타늄 타겟에 미치는 영향

이 튜토리얼에서는 Abaqus를 사용하여 세라믹 입자가 티타늄 타겟에 충돌하는 냉간 분무 시뮬레이션을 살펴봅니다. 세라믹 임팩터는 최소 반지름이 40마이크로미터인 3차원 구로 모델링되는데, 이는 Abaqus에서 가능한 가장 작은 크기입니다. 반면 티타늄 타겟은 실제 크기보다 큰 3차원 물체로 모델링됩니다.

이 시뮬레이션에서 티타늄 재료는 변형과 손상을 예측할 수 있는 탄성-소성 Johnson-Cook 재료 모델을 사용하여 모델링됩니다. Johnson-Cook 모델은 특히 빠른 하중 조건에서 변형을 예측하는 데 유용합니다. 세라믹 재료는 Abaqus에서 권장하는 재료 모델 중 하나를 사용하여 모델링됩니다. 이 특정 시뮬레이션에서는 Johnson-Holmquist 세라믹 재료 모델을 사용하여 고속 충격 시 탄화규소의 거동을 설명합니다. 접촉 특성을 포함한 표면-표면 접촉 알고리즘과 함께 동적 명시적 단계가 사용됩니다. 대상에는 고정 경계가 지정되고 세라믹 발사체에는 초기 속도가 지정됩니다. 시뮬레이션의 크기가 작기 때문에 접촉 영역에서 메시는 미세해야 하지만 마이크로미터 모델링의 한계로 인해 메시 크기가 너무 작아서는 안 됩니다.

시뮬레이션이 완료되면 응력, 변형률, 소성 변형률, 손상을 포함한 모든 결과를 얻을 수 있습니다.

워크숍 4: ALE 방법을 사용하여 Inconel 타겟에 대한 강철 입자 충격의 콜드 스프레이 시뮬레이션

이 튜토리얼에서는 Abaqus에서 ALE 방법을 사용하여 인코넬 표면에서 강 입자의 냉간 분무 공정을 시뮬레이션하는 방법을 살펴봅니다. 강 입자는 3차원 고체 객체로 모델링되고, 인코넬 재료는 니켈과 크롬으로 구성된 3차원 고체 객체로 모델링됩니다.

유한 요소 해석에서 ALE 방법을 사용하여 Inconel 타겟 표면에 강철 볼이 미치는 영향을 시뮬레이션하는 수치 모델을 개발했습니다. JC 소성 모델을 사용하여 타겟의 소성 변형을 시뮬레이션하는 반면 강철 볼은 탄성 및 Johnson-Cook 소성으로 모델링되었습니다. 시뮬레이션 중 온도 변화로 인해 두 부품의 열적 특성이 고려되었습니다. Dynamic Temp-Disp Explicit 풀이 절차를 사용하여 시뮬레이션 중 응력과 온도 간의 관계를 모델링했으며 마찰 특성을 가진 표면 간 접촉이 사용되었습니다. 타겟의 움직임은 세 방향으로 제한되었고 강철 발사체에 초기 속도가 할당되었습니다. 임의의 라그랑주-오일러(ALE) 방법을 사용하여 시뮬레이션 중 메시를 미세 조정했으며 변형과 고온이 발생하는 접촉 영역에 특히 주의를 기울였습니다.

시뮬레이션을 통해 응력, 변형률, 소성 변형률, 온도 등을 포함한 모든 결과를 얻을 수 있습니다.

보는 것이 유용할 것입니다 Abaqus 문서 Abaqus 시뮬레이션을 시작하기가 얼마나 어려운지 이해하려면 Abaqus 튜토리얼.