다중경사충돌시 피닝잔류응력 평가를 위한 최적의 3차원 유한요소모델

현홍철(Hong Chul Hyun),김태형(Taehyung Kim),이형일(Hyungyil Lee) 대한기계학회 2012 大韓機械學會論文集A Vol.36 No.2

잔류응력 생성을 위한 대부분의 숏피닝 유한요소 해석모델은 숏볼이 재료표면에 수직으로 충돌하는 것을 가정한다. 하지만 실제 피닝공정에서 숏볼은 경사각을 갖고 재료표면에 충돌한다. 본 논문 에서는 잔류응력평가를 위한 3차원 경사충돌 유한요소 해석모델을 제안하였다. 다중경사충돌 유한요소 해석모델을 이용하여, 투사각, 충돌패턴, 숏볼수량 등 피닝인자들이 해석해에 미치는 영향을 조사하였다. 아울러 숏볼의 소성변형도 고려하였다. 유한요소해와 XRD 실험해의 비교를 통해 해석모델의 유효성을 검증했다. 본 논문에서 제안된 모델은 다양한 경사각에 대한 다중숏 충돌 유한요소 해석모델의 기초가 될 것이다. The FE model for shot peening often assume that shots impact vertically on the engineering parts to generate compressive residual stresses. However, the shots obliquely impact on the surface in actual peening. In this work, we propose a 3D finite element (FE) model for evaluation of residual stress under angled shot peening. Using the FE model for angled multi-impact, we examine the effects of factors such as impact angle, impact pattern and the number of shots. Plastic deformation of shot is also considered. To validate the model, we then compare the FE solution with experimental result by X-ray diffraction (XRD). The proposed model will be a base of 3D multi-impact FE model with diverse impact angles.

유한요소해에 기초한 취성재료의 압입파괴인성평가

현홍철(Hong Chul Hyun),이진행(Jin Heang Lee),Rickhey Felix,이형일(Hyungyil Lee) 대한기계학회 2013 大韓機械學會論文集A Vol.37 No.12

본 논문에서는 cohesive zone 모델을 이용한 유한요소해석에 기초해 압입 파괴인성 평가식을 제시한다. 먼저 Vickers 압입균열해석에 기초해 다양한 물성변수(항복변형률 εo, 푸아송비 ν, 영률 E)의 들이 균열크기에 미치는 영향을 분석하고, 파괴인성을 압입 시 측정되는 최대하중과 균열길이로 나타낼 수 있는 수식을 회귀로 얻었다. 아울러 접촉길이 a, E/H (H: 경도) 등을 추가 압입변수로 선정해 다양한 형태의 파괴인성평가법을 제시했다. 이후 동일 압입하중에서 압입자각 및 압입자 형태와 균열 크기의 관계를 분석해 Vickers 압입 파괴인성평가법을 다양한 압입자 형태로 확장했다. 본 연구에서 제안된 평가식을 이용하면 압입시험으로 얻어지는 데이터로부터 바로 취성재료의 파괴인성을 예측할 수 있다. In this study, we proposed an indentation evaluation method for fracture toughness using cohesive finite element simulations. First, we examined the effect of material properties (yield strain, Poisson"s ratio, and elastic modulus) on crack size during Vickers indentation and then generated a regression formula that explains the relations among fracture toughness, indentation load, and crack size. We also proposed another indentation formula for fracture toughness evaluation using the contact size a and E/H (H: hardness). Finally, we examined the relation between the crack size and the indenter shapes. Based on this, we can generate from the formula obtained using the Vickers indenter a formula for an indenter of different shapes. Using the proposed method, fracture toughness is directly estimated from indentation data.

금속재료 응력-변형률 곡선의 수학적 표현들

현홍철(Hong Chul Hyun),이진행(Jin Haeng Lee),이형일(Hyungyil Lee) 대한기계학회 2008 大韓機械學會論文集A Vol.32 No.1

본 연구에서는 인장과 압축실험 데이터를 사용하여 재료의 응력-변형률 곡선을 얻었다. 시편에 네킹현상이 발생하기 전에는 인장실험의 결과를 토대로 각 재료의 영률값과 항복강도를 찾았다. 이후 비선형 거동은 압축실험의 데이터를 이용해나타냈다. 이렇게 얻어진 재료의 실제응력-변형률 곡선을 구간 멱함수법을 사용해 변형률 구간별로 회귀하였다. 회귀하여 구한 곡선과 실제 재료의 응력-변형률 곡선을 비교해 최적 회귀방법과 상응하는 변형률 회귀구간을 찾았다. 하나와 두 변수에 의한 회귀를 혼용하면 가장 적절한 회귀 방법이 얻어진다. 우선 두 변수들로 회귀하여 항복강도를 찾는다. 뤼더변형률이 없는 재료의 항복강도를 예측에는 초기구간 데이터만을 이용해야 오차를 최소화 할 수 있다. 한편 뤼더변형률이 재료들은 곡선의 후반부 데이터를 사용해야 정확한 물성치를 찾아낼 수 있다. 이어 항복강도가 구해진 상황에서 응력-변형률 곡선의 전체 데이터를 사용해, n 을 단일변수로 하여 회귀한다. 여기서 얻은 항복강도와 n 을 이용하면 실제 실험응력-변형률 곡선을 가장 유사하게 따라가는 회귀곡선을 얻을 수 있다. Stress-strain curves based on Ramberg-Osgood and Hollomon relations are strongly dependent upon the regressed range of strain. This work investigates mathematical expressions of true stress-strain curves of metallic materials. We first observe the variation of yield strength, strain hardening exponent and stress-strain curve with regressed range of stain. Based on sectional regression and expression using one or two parameters, we propose an optimal strain range for which yield strength and nonlinear material behavior are quite appropriate.

유한요소해에 기초한 원뿔형 압입 물성평가법

현홍철(Hong Chul Hyun),김민수(Minsoo Kim),이진행(Jin Haeng Lee),이형일(Hyungyil Lee) 대한기계학회 2009 大韓機械學會論文集A Vol.33 No.9

물성치와 하중-변위곡선을 일대일 대응 시킬 수 있는 함수를 생성함으로써, 미지 재료에 대한 압입시험 데이터로부터 바로 재료물성을 찾는 압입물성평가 기법을 제시했다. 원뿔형 압입 유한요소해석으로 압입자 중심각이 압입 하중-변위 곡선에 주는 영향을 살펴 보았다. 이로부터 한 압입자 중심각에 대해 같은 Kick’s law 계수 C를 갖는 두 재료들이 압입자 중심각이 변하면 서로 다른 C 값들을 가짐을 확인했다. 이어 영률, 항복강도, 변형경화지수와 하중-변위곡선 사이의 상관관계들을 분석하고, 항복변형률이 변형경화 지수와 더불어 중요한 변수임을 확인했다. 이 두 특성들을 바탕으로 이중원뿔형 압입 물성평가 수식들을 작성했다. 1회 압입 후 재료의 영률을 평가하고, 두 압입자를 이용해 얻은 하중-변위 곡선들로부터 곡률계수들을 구해 항복변형률과 변형경화 지수를 구했다. 제시된 물성평가법은 압입 하중-변위곡선들로부터, 압입자 물성과 선단반경에 상관없이, 평균 오차 2% 내에서 재료 물성값들을 준다. The sharp indenters such as Berkovich and conical indenters have a geometrical self-similarity in theory, but different materials have the same load-depth curve in case of single indentation. In this study, we analyze the load-depth curves of conical indenter with angles of indenter via finite element method. From FE analyses of dual-conical indentation test, we investigate the relationships between indentation parameters and load-deflection curves. With numerical regressions of obtained data, we finally propose indentation formulae for material properties evaluation. The proposed approach provides stress-strain curve and the values of elastic modulus, yield strength and strain-hardening exponent with an average error of less than 2%. It is also discussed that the method is valid for any elastically deforming indenters made of tungsten carbide and diamond for instance. The proposed indentation approach provides a substantial enhancement in accuracy compared with the prior methods.

Cohesive Zone Model을 이용한 압입자 형상에 따른 균열특성분석

현홍철(Hong Chul Hyun),이진행(Jin Haeng Lee),이형일(Hyungyil Lee),김대현(Dae Hyun Kim),한준희(Jun Hee Hahn) 대한기계학회 2013 大韓機械學會論文集A Vol.37 No.12

본 연구에서는 유한요소해석과 압입시험으로 압입자 형상이 압입균열특성에 미치는 영향을 조사했다. 본 논문에서는 Lee 등(2012)이 제시한 cohesive zone 모델특성 및 균열생성, 진전을 위한 해석 조건에 기초해 다양한 균열해석을 수행했다. 우선, 사각뿔 및 삼각뿔 압입균열 시험과 해석을 비교해 해석 모델의 유효성을 검증했다. 아울러 비대칭 압입자에 의한 압입시, 압입하부에서 비대칭 균열의 발생 여부를 해석적으로 관찰했다. 최종적으로 압입발생 균열수와 균열길이 관계를 조사했다. 균열수와 균열길이 관계 및 동일 압입자형상(압입자 모서리수)에서 압입자각에 따른 균열길이 변화를 이용하면, 특정 압입자 형태의 압입시험에서 얻은 균열길이 만으로 다양한 압입자 형태의 균열길이를 예측할 수 있다. In this study, we investigated the effect of the indenter geometry on the crack characteristics by indentation cracking test and FEA. We conducted various cohesive finite element simulations based on the findings of Lee et al. (2012), who examined the effect of cohesive model parameters on crack size and formulated conditions for crack initiation and propagation. First, we verified the FE model through comparisons with experimental results that were obtained from Berkovich and Vickers indentations. We observed whether nonsymmetrical cracks formed beneath the surface during Berkovich indentation via FEA. Finally, we examined the relation between the crack size and the number of cracks. Based on this relation and the effect of the indenter angle on the crack size, we can predict from the crack size obtained with an indenter of one shape (such as Berkovich or Vickers) the crack size for an indenter of different shape.

금속재료의 응력-변형률 곡선에 대한 수학적 표현들

현홍철(Hong Chul Hyun),이진행(Jin Haeng Lee),이형일(Hyungyil Lee) 대한기계학회 2006 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2006 No.11

본 연구에서는 인장과 압축실험 데이터를 사용하여 응력-변형률 곡선을 얻었다. 시편에 네킹현상이 발생하기 전에는 인장실험의 결과를 토대로 각 재료의 영률값과 항복강도를 찾았다. 그 이후의 비선형 거동은 압축실험의 데이터를 이용하여 나타냈다. 이렇게 얻어진 재료의 실제응력-변형률 곡선을 구간 멱급수법을 사용하여 변형률 구간별로 회귀하였다. 먼저 항복강도를 알고 있는 경우 회귀된 곡선과 실제 재료의 응력-변형률 곡선을 비교하여 최적의 구간을 찾았다. 구간 멱급수 법으로 표현되지 않는 재료에 대해서는 다른 회귀 방법을 제시하였다. 항복강도를 알지 못하는 경우에는 설정구간별로 회귀하여 항복강도를 가장 잘 예측하는 구간을 찾았다. 이를 통해 항복강도를 알고 있는 상황에서, 변형률 전체구간에 대하여 변형경화지수를 유일변수로 하는 회귀를 실시하여 항복 이후의 재료의 거동을 나타내었다. 이를 종합하면 실제 응력-변형률 곡선과 가장 유사한 수학적 응력-변형률 곡선을 얻을 수 있다. Stress-strain curves based on Ramberg-Osgood and Hollmon relation are inaccurate for full strain range. The aim of this work is to propose more accurate mathematical expressions of stress-strain curves. For this purpose, we used the Hollmon relation at selected strain range to observe the variation of yield stress and strain hardening exponent, then we investigated the variation of regressed stress?strain curves according to stain ranges. Based on sectional regression and expression using one or two parameters, we proposed the optimal strain range where the yield stress and nonlinear material behavior are the most reasonable.

3차원 유한요소해에 기초한 Berkovich 압입 물성평가법

김민수(Minsoo Kim),현홍철(Hong Chul Hyun),이경윤(Kyoung Yoon Lee),이형일(Hyungyil Lee) 대한기계학회 2008 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2008 No.11

본 연구에서는 동일 압입깊이에 대하여 원뿔형 압입자와 같은 투영 접촉면적을 주는 Berkovich 압입자의 유한요소해석을 통해, 동일 재료에서 서로 다른 하중-변위 곡선을 갖는 것을 확인했다. Berkovich 압입시험의 유한요소해석으로 자기유사성을 나타내는 Kick’s law 계수 C의 영향을 조사했다. 또한 동일한 계수 C와 영률을 갖는 두 가지 재료에 대하여, 중심각 α가 변함에 따라 동일했던 하중-변위 곡선이 서로 달라짐을 이용해 이중 Berkovich 압입시험을 통한 새로운 물성평가 수식들을 제시하였다. 이를 통해 평균 3% 이내로 재료 물성치 예측이 가능하다. Due to the self-similarity of Berkovich and conical indenters, different materials may show the same loaddepth curve for single indentation. In this study, we first compare the load-depth characteristics of conical and Berkovich indenters via finite element method. We also analyze the variation of load-depth curves with angle of Berkovich indenter, indentation parameters, and material properties. With numerical regressions of obtained data, we then propose dual-Berkovich indentation formulae for material property evaluation. The proposed approach provides the values of elastic modulus, yield strength and strain-hardening exponent and corresponding stress-strain curve with an average error of less than 3%. The method is valid for any elastic indenters made of tungsten carbide and diamond for instance.

돔장출시험에 기초한 Zircaloy-4 및 Zirlo 판재의 성형한계 응력선도

서윤미(Yunmi Seo),현홍철(Hong Chul Hyun),이형일(Hyungyil Lee),김낙수(Naksoo Kim) 대한기계학회 2011 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2011 No.4

유한요소해에 기초한 이중 삼각뿔 압입 물성평가법

김민수(Minsoo Kim),현홍철(Hong Chul Hyun),이진행(Jin Haeng Lee),이형일(Hyungyil Lee) 대한기계학회 2012 大韓機械學會論文集A Vol.36 No.1

본 연구에서는 역해석 방법을 통해, 중심각이 서로 다른 두 삼각뿔 압입자를 이용하는 재료물성 평가법을 제안한다. 자기유사성을 갖는 첨단형 압입자를 사용한 압입시험 전산모사시, 동일 압입깊이에 대해 원뿔형 및 삼각뿔 압입자가 주는 하중-변위 곡선들이 다름을 확인했다. 따라서 삼각뿔형 압입자를 이용한 물성평가는 원뿔형 압입자와 별도로 독립적인 연구가 필수적이다. 먼저 다양한 재료들에 대한 삼각뿔 압입 유한요소해석들로 얻은 하중-변위 곡선들의 특징을 살폈다. 이를 토대로 압입자 반각이 다른 두 삼각뿔 압입자를 이용해 유한요소해석으로 얻은 하중-변위곡선들의 회귀분석으로 재료물성치를 얻는 이중 삼각뿔 압입물성평가 알고리듬을 제시했다. 제안된 물성평가법을 이용하면 다양한 재료에 대해 평균오차 3% 이내로 영률 및 항복강도, 변형경화지수의 예측이 가능하다. In this study, we suggest a method for material property evaluation by dual-triangular pyramidal indenters using the reverse analysis. First, we demonstrated that load-displacement curves of conical and triangular pyramidal indenters are different for the same material. For this reason, an independent research on the triangular pyramidal indenter is needed. From FE indentation analyses on various materials, we then investigated the relationships among material properties, indentation parameters and load-displacement curves. From this, we established property evaluation formula using dual-triangular pyramidal indenters having two different half-included-angles. The approach provides the values of elastic modulus, yield strength and strain-hardening exponent within an average error of 3% for various materials.

다중 소성숏이 포함된 3차원 경사충돌 유한요소 해석모델에서의 면적평균 피닝잔류응력해

김태형(Taehyung Kim),현홍철(Hong Chul Hyun),이형일(Hyungyil Lee) 대한기계학회 2010 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2010 No.4