Abaqus CAE를 이용한 냉간 성형 시뮬레이션 | 잔류 응력 분석

서론(냉간성형 잔류응력 해석)

냉간 성형 공정은 여러 단계로 구성된 복잡한 작업으로, 원하는 형상의 금속 프레임을 생산합니다. 일반적으로 제조업체는 롤 성형이나 프레스 브레이킹 방식을 사용하여 냉간 성형 구조 요소를 생산합니다. 그림 1은 두 가지 방법을 모두 보여줍니다. (냉간 성형 시뮬레이션)

그림 1: 냉간성형강 부재의 롤성형 및 프레스브레이킹 방식 비교 [1]

두 방법 모두 냉간 성형을 시작하기 전에 냉간 압연 강판을 롤 형태로 먼저 감아 보관합니다. 이후 롤에서 풀어서 판 형태로 만든 후 냉간 성형 공정을 거칩니다. 그림 2는 코일 부재의 풀림-평탄화 공정을 보여줍니다.

그림 2: 코일형 부재의 풀림-평탄화 공정 [2]

냉간 성형으로 인한 잔류 응력은 단면 두께에 따라 비선형적인 변화를 보입니다. 이는 냉간 성형 단면으로 제작된 구조 부재의 기계적 거동에 상당한 영향을 미칩니다. 이러한 잔류 응력은 두 가지 주요 원인에서 발생합니다. 1. 코일링, 풀림, 평탄화, 2. 냉간 성형 공정 자체입니다. 그러나 냉간 성형 단면의 판 두께에 걸친 잔류 응력을 실험실에서 평가하는 것은 어렵고 때로는 불가능합니다. 수치 냉간 성형 시뮬레이션은 냉간 성형 잔류 응력 분석의 한계를 해결합니다. 그러나 이러한 시뮬레이션에는 몇 가지 어려움이 있을 수 있습니다. 아래에서 이러한 어려움에 대해 논의했습니다.

수치 냉간 성형 시뮬레이션

코일링-언코일링 또는 냉간 성형 공정에서 금속판은 빈번하게 소성 변형을 겪습니다. 따라서 냉간 성형 잔류 응력 해석을 위해서는 재료의 비선형 거동을 고려해야 합니다. 또한, 냉간 성형 공정에서 금속은 롤러 및 펀치와 상호 작용합니다. 따라서 수치 냉간 성형 시뮬레이션에서 이러한 복잡한 상호 작용을 고려하는 것이 중요합니다. 또 다른 과제는 냉간 성형 시뮬레이션을 위해 시편에 현실적인 방식으로 경계 조건을 적용하는 것입니다. 이러한 모든 요소는 수치 냉간 성형 시뮬레이션의 복잡성을 증가시킵니다. 그러나 Abaqus CAE는 이러한 모든 과제를 단순화하여 냉간 성형 잔류 응력 해석을 위한 간단하면서도 정확한 프레임워크를 제공합니다.

Abaqus를 활용하여 코일링-언코일링 및 평탄화 공정은 물론, 프레스 브레이킹 또는 압연 공정까지 큰 제약 없이 시뮬레이션할 수 있습니다. Abaqus 냉간 성형 해석에 대해 궁금한 점이 있으시면 언제든지 문의해 주세요. 워크숍을 통해 단계별 가이드를 제공해 드립니다.

워크숍 1: 코일링 및 언코일링 단계에 대한 Abaqus 냉간 성형 해석

두꺼운 강판을 코일로 감아 두껍게 만든 후, 두껍게 펴는 과정을 생각해 보겠습니다. 이러한 평탄화 과정은 잔류 응력과 변형을 유발합니다. Abaqus CAE를 사용하여 이 과정을 시뮬레이션해야 합니다. 냉간 성형 시뮬레이션이 실제 상황을 반영하도록 하려면 강의 비선형 거동을 고려하는 것이 필수적입니다. 이러한 Abaqus 냉간 성형 해석은 "“코일링 및 풀림으로 인한 강판의 잔류응력: 폐쇄형 해석 솔루션”. 단순화를 위해 이 문제는 순수 굽힘 형태로 모델링됩니다. 이는 판이 감기 및 풀림 조건에서 균일하게 굽어졌다고 가정합니다. 워크숍 1에서는 Abaqus에서 이 문제를 모델링하는 단계별 가이드를 제공하고 그 결과를 기준 솔루션과 비교했습니다. 이를 위해 Abaqus의 "정적 일반" 단계를 사용했습니다. 이 단계는 솔루션의 수렴성을 확인하기 때문에 성형 공정에서 Abaqus의 "동적 명시적" 단계보다 더 신뢰할 수 있습니다. 그림 3은 두께 방향의 횡응력을 비교한 결과를 보여줍니다.

그림 3: 작업장 1의 두께에 따른 횡응력 비교