이종소재 Flow Drill Screw 접합부 해석적 파단 예측 모델 개발 = Development of an analytical fracture estimator for dissimilar Flow Drill Screw connections

국문 초록 (Abstract)

친환경과 자율주행에 대한 수요 증대로 인해 자동차 산업에서의 전동화로의 전환은 필수적이다. 하지만, 전동화 파워트레인을 사용하는 Battery Electric Vehicle (BEV)는 주행 거리 및 상품성 측면에서 경량화에 대한 필요성이 요구되는 바이다. 따라서 차량의 부품에 이종소재를 적용하여 이러한 요구를 충족시키고자 하는 추세이며, 소재 간 안정적인 접합을 위해서 기계적 체결 방식이 주로 사용된다. 단방향 체결이 가능하다는 특징으로 인해 차체 및 샤시 부품에서는 Flow-Drill Screw(FDS) 체결 방식이 주로 사용된다. 또한 고강도 소재의 체결 안정성을 확보하기 위해 상대적으로 강한 소재에 Pre-hole을 가공한다.
이종 소재의 안정적인 접합 여부를 판단하기 위하여 여러 하중 방향에 대해 Lap shear, Cross-tension test를 통해 접합 강도를 평가한다. 그러나 이 방식은 시간 및 재료적인 측면에서의 비효율이 야기된다. 따라서, 기존의 실험 중심 접근이 가진 시간 및 비용적 한계를 보완하기 위해서 이종소재 FDS 접합부의 파단 강도를 신뢰성 있게 예측할 수 있는 해석적 방법론을 제안하고자 한다. 최소한의 물성 시험 결과를 기반으로 이종소재 FDS 접합부의 파단 강도를 예측하는 모델이며, 이는 접합부에 작용하는 다양한 하중 방향을 고려하여 파단 거동을 정량적으로 평가할 수 있도록 구성하였다. 모델의 정합성을 검증하기 위해서 10가지 이종소재 조합을 대상으로 여러 하중 방향 조건에서의 시험을 수행하고, 이를 시험 결과와 비교하였다.
제안된 해석적 모델은 실제 접합부의 상이한 파단 거동을 반영하기 위해서 두가지 시나리오로 구분된다. 접합부의 파단 거동은 조인트의 파단 여부에 따라서 구분할 수 있다. 조인트가 파단 하지 않을 경우를 ‘모재 파단 상황으로 정의하고, 조인트 자체가 파단 하는 경우를 ‘조인트 파단 상황으로 정의하였다.
접합부에 작용하는 복합 하중은 FDS 조인트의 축에 대해 수직, 수평 하중으로 분리되며, 모재 파단 상황에서는 나사산에 작용하는 응력 성분, 조인트 파단 상황에서는 조인트 자체에 작용하는 응력 성분을 본-미세스 등가응력으로 변환한다. 변환된 등가응력을 임계 파단 응력과 비교하여 접합부의 파단 하중을 접합부에 작용하는 하중의 각도에 대한 함수로 표현할 수 있다. 임계 파단응력은 모재 파단 상황에서는 평면 변형 조건에서의 파단 변형률과 단축 인장 시험에서의 유동응력 선도를 비교하여 정의한다. 반면, 조인트 파단 경우에서는 이전 연구에서의 물성치를 기반으로 하며, 나사산 부의 국부 경화와 pre-hole 내부의 알루미늄 비드의 하중 분담 효과를 고려하여 산정한다.
이를 검증하기 위해서 Lap shear test와 접합부에 작용하는 하중 방향을 제어할 수 있는 Cross-tension test를 수행하였으며, 이를 위해 전용 시험 지그를 설계 및 제작하였다. 접합부의 회전량은 IMU 센서 기반의 측정 방식을 통해 취득하였다.
실제 시험 결과는 예측 모델에서 정의한 바와 같이, 조인트 파단 여부 따라 파단 양상이 달라짐을 확인하였다. 또한 조인트 파단 여부 예측 결과는 총 44 종류의 서로 다른 소재, 하중 각도 조합 시험에서 1 종류를 제외한 모든 경우에서 일치하였다. 이와 더불어, 평균 93%의 높은 파단 하중 예측 정확도를 통해, 제안된 해석적 모델이 효과적으로 실제 파단 거동을 재현할 수 있음을 검증하였다.
본 연구는 이종소재 FDS 접합부의 파단 강도 예측을 위한 해석적 기반을 마련하였으며, 향후 이종 소재를 활용한 경량화와 설계 지침 수립에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The increasing demand for eco-friendly and autonomous vehicles has made the electrification of the automotive industry inevitable. However, Battery Electric Vehicles (BEVs) require weight reduction to improve driving range and competitiveness. To achieve this, multi-material structures are increasingly employed, and mechanical fastening methods are widely adopted to ensure reliable joining. Among them, the Flow Drill Screw (FDS) process is extensively applied to body and chassis components due to its one-sided fastening capability. For high-strength plates, fastening stability is further enhanced by machining a pre-hole in the stronger plate.
Conventionally, the joint strength of dissimilar materials has been evaluated through lap shear and cross-tension tests. While effective, these approaches are inefficient in terms of time and cost. Therefore, an analytical method capable of predicting the fracture strength of dissimilar FDS joints with minimal experimental input is required.
This study proposes an analytical model to predict the fracture strength of dissimilar FDS joints. The model accounts for fracture behavior under various load directions and was validated through experiments on ten different material combinations. Two fracture scenarios are defined: the BM fracture case, where the joint does not fail, and the joint fracture case, where the joint itself fails. Applied loads are decomposed into normal and shear components relative to the screw axis, and von Mises equivalent stress is compared with the critical fracture stress. The latter is defined either from plane strain fracture strain and uniaxial tensile flow stress (BM fracture case) or from reported material data incorporating local thread hardening and load-sharing by the aluminum bead inside the pre-hole (joint fracture case).
To validate the model, both lap shear tests and cross-tension tests with controlled loading angles were performed. A dedicated test jig was designed and fabricated, and joint rotation was measured using an IMU-based method. The experimental results confirmed the occurrence of joint fracture scenarios predicted by the model, and an average prediction accuracy of 93% was achieved.
This study provides an analytical framework for predicting the fracture strength of dissimilar FDS joints and is expected to contribute to lightweight automotive design and the structural reliability of multi-material joints.

목차 (Table of Contents)

• 초 록 i
• 목 차 iv
• 표 목차 ix
• 그림 목차 ix
• 약어 및 기호 설명 (Nomenclature) ixx
• 제 1 장 서 론 1
• 제 2 장 해석적 FDS 파단 강도 예측 모델 8
• 제 1 절 모재 파단 상황 9
• 2.1.1 등가 응력 계산 11
• 2.1.2 임계 파단 응력 정의 19
• 제 2 절 조인트 파단 상황 27
• 2.2.1 등가 응력 계산 27
• 2.2.2 임계 파단 응력 정의 29
• 2.2.3 하중 분담 계수 도입 31
• 제 3 장 파단 강도 평가를 위한 실험 방법론 35
• 제 1 절 시험 설계 35
• 제 2 절 수식 모델과의 비교 및 검증 54
• 제 4 장 결 론 59
• 참고문헌 62
• Appendix 69
• Abstract 71