이단 분할 공정 적용 자동차용 크로스멤버 금형 최적 설계 및 강건성 평가 = Optimized Die Design and Robustness Evaluation of Automotive Crossmembers Using a Two-Stage Split Forming Process

국문 초록 (Abstract)

고강도 강판으로 자동차 차체용 크로스멤버를 성형할 때, 단면의 높이 대비 너비 비가 큰 형상은 주름·파단·스프링백 같은 결함이 발생하기 쉽다. 본 연구에서는 성형 안정성을 높이기 위해 유한요소 해석으로 이단 분할 드로잉 공정을 먼저 검토하고, 분할 위치 변화가 성형 거동에 미치는 영향을 분석하였다. 그 결과, 적절한 분할 위치를 적용하면 주름, 파단, 스프링백, 펀치 하중이 효과적으로 감소하는 반면, 형상에 따라 부적절한 분할 위치는 심각한 성형 불량으로 이어질 수 있음을 확인하였다. 또한, 최적 분할 조건을 바탕으로 1차 드로잉 금형은 여육(addendum) 형상을 추가로 최적화를 진행했으며, 설계변수로는 상단 너비, 상단 곡률 반경, 벽면 기울기, 하단 곡률 반경 4가지를 설정하였다. 두께 감소율, 주름 크기, 스프링백 양을 각각 목표로 단일목적 최적화를 수행한 뒤 각 성형 결함 지표에 대응하는 최적 설계안을 도출하였다. 판재 두께, 기계적 물성, 마찰계수, 패드 하중의 변동을 고려한 확률론적 유한 요소 해석으로 최적 설계안에 대해 강건성을 평가하였다. 그 결과, 최적 설계안에서 각 성형 결함 지표에 대해 초기 설계안 대비 저감되었고, 제조 변동성에 대해서도 높은 강건성을 확보할 수 있음을 확인하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Automotive chassis crossmembers, which possess a high
height-to-width cross-sectional ratio, are prone to forming defects when
manufactured with high-strength steel sheets. To improve forming
stability, this study first evaluates a two-stage split drawing process and
analyzes the effect of various partitioning positions using finite element
simulations. The results show that an appropriately positioned split
effectively reduces wrinkling, fracture, springback, and punch force, while
an improper split location can lead to severe forming failures depending
on part geometry. Based on the optimal split configuration, the first
drawing die was further improved through addendum optimization using
four design variables: punch opening width, upper bar radius, wall angle,
and lower die radius. Single-objective optimization was performed for
thinning, wrinkling, and springback, followed by robustness evaluation
through stochastic finite element analysis considering variations in sheet
thickness, mechanical properties, friction coefficient, and pad force. The
results confirm that combining an optimally positioned split process with
an optimized addendum design significantly enhances formability and
dimensional stability, while also providing strong robustness against
manufacturing variability.

목차 (Table of Contents)

• 그림 목차 5
• 표 목차 8
• 1. 서론 9
• 2. 판재 성형 공정 및 금형 설계 13
• 가. 크로스멤버 기존 판재 성형 공정 13
• 나. 이단 분할 공정 13
• 다. 금형 설계 16
• 3. 유한요소 해석 방법 18
• 가. 재료 모델링 18
• 나. 유한요소 모델링 26
• 다. 최적 설계 28
• 라. 강건성 해석 29
• 4. 결과 및 고찰 31
• 가. 공정 분할 위치에 따른 성형 거동 분석 32
• 1) 주름 32
• 2) 파단 35
• 3) 스프링백 35
• 4) 펀치 하중 및 타발 에너지 37
• 나. 성형 결함 저감을 위한 여육 최적 설계 및 설계 변수 분석 40
• 1) 단일 목적 함수 최적 설계 40
• 2) 설계 변수 영향도 분석 45
• 다. 공정 변동성에 대한 강건성 평가 및 잡음 인자 영향도 분석 49
• 1) 강건성 평가 49
• 2) 잡음 인자 영향도 분석 57
• 5. 결론 61
• 참고문헌 63
• Abstract(영문초록) 71