유한요소법을 이용한 알루미늄 합금 3중 이종재의 리베팅 접합 거동에 대한 SPR 관련 매개변수의 통계적 분석에 관한 연구 = A Study on the Statistical Analysis of SPR-Related Parameters in the Riveting Behavior of Aluminum Alloy Three Dissimilar Plates using Finite Element Method

국문 초록 (Abstract)

이종재를 접합하기 위한 효과적인 방법인 SPR(Self-Piercing Riveting, 이하 SPR) 접합 기술은 차체의 구조적 경량화를 위한 효과적인 방법이다. 현재까지 SPR을 이용한 2중 이종재에 대한 연구가 많이 이루어졌지만, 상판, 중판, 하판을 포함한 3중 이종재에 대한 연구는 전무하다. 본 연구에서는 이러한 차이를 감안하고, 알루미늄 합금 3중 이종재의 SPR 접합 거동을 체계적으로 분석하였다. 초기에는, SPR 접합을 완료한 후 성능을 평가하기 위한 다양한 파라미터를 정의하였다. 플레어링(Flaring, 이하 FL), 페네트레이션(Penetration, 이하 PR), 인터로크(Interlock, 이하 IL), 그리고 R1 및 R2와 같은 파라미터를 정량적 비교분석에 적용하여 정확도와 신뢰성을 입증하였다. 더불어 섕크 두께(Shank thickness, 이하 ST)와 다이의 캐비티 높이(Cavity height, 이하 CH)와 같은 파라미터를 정의하고 활용하였다. 이어서 시험편의 단면과 해석 결과를 비교하여 해석의 정확성을 검증하였다. 해석과 시험을 병행하여 모델의 정확성과 신뢰성을 입증하기 위해 8 mm SPR과 9 mm SPR 두 가지 형상을 사용하였다. 세 번째로 형상의 변화에 따른 SPR 접합의 영향을 확인하기 위해 ST와 CH를 조절하였다. 마지막으로 상판, 중판, 하판의 판재 조합 변경에 따른 접합 거동을 분석하였다. 결과적으로 FL의 양은 판의 인장강도 증가, 섕크 두께 감소, 캐비티 깊이 감소와 관련하여 증가하는 경향을 보였다. 반면, PR의 양은 FL의 양과 반비례하여 감소하는 경향을 나타냈다. 더불어, 3중 접합 특성이 2중 접합의 경우와 유사함을 확인하였다. 이러한 해석의 경향성을 기반으로 통계 분석 결과를 통해 최적의 SPR 접합부를 추정하기 위한 경험적 방정식을 도출하였다. 본 연구 결과는 산업 현장에서 3중 접합부를 설계하고 최적화하는데 중요한 데이터로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Self-Piercing Riveting (SPR), an effective method for joining dissimilar materials, provides a practical solution for lightweighting vehicle structures. While extensive research has been conducted on two dissimilar plates using SPR, studies on three dissimilar plates, including top, middle, and bottom plates, are lacking. Recognizing this gap, this study systematically analyzed the SPR behavior of aluminum alloy three dissimilar plates. Initially, various parameters were defined to assess the performance after completing SPR joining. Parameters such as Flaring (FL), Penetration (PR), Interlock (IL), as well as R1 and R2, were applied for a practical comparison, providing evidence for accuracy and reliability. Additionally, parameters like Shank Thickness (ST) and Cavity Height (CH) were utilized. Subsequently, cross-sectional specimens and analysis results were compared to verify the accuracy of the interpretation. Two configurations, 8 mm SPR and 9 mm SPR, were examined to align simulation outcomes with actual test data. Thirdly, the thickness of the shank and the depth of the die cavity were adjusted to assess the impact of shape variations on SPR joints. Finally, the joining behavior concerning changes in material combinations of top, middle, and bottom plates was analyzed. As a result, the amount of FL showed an increasing trend related to the tensile strength of the plate, decreased shank thickness, and reduced cavity depth. In contrast, the PR level demonstrated a proportional decrease concerning FL. Moreover, the study confirmed the similarity in joining characteristics between three dissimilar plate and two dissimilar plate configurations. Based on these trends, empirical equations for estimating the optimal SPR joint were derived through statistical analysis results. These research findings are expected to provide crucial data for designing and optimizing three dissimilar plate joints in actual manufacturing processes.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 1
• 1.1 연구 배경 및 동향 1
• 1.2 연구 목적 및 범위 3
• 제 2 장 통계적 배경 4
• 2.1 가설검정의 기본요소 4
• 2.2 선형 회귀분석 7
• 2.2.1 선형 회귀 모델 7
• 2.2.2 회귀 계수 추정 9
• 2.2.3 선형 회귀 모델 적합도 10
• 2.3 분산분석과 F-검정 12
• 2.3.1 분산분석 12
• 2.3.2 F-검정과 t-검정 12
• 2.4 랜덤 포레스트 14
• 2.5 변수설정 16
• 제 3 장 연구내용 17
• 3.1 형상 및 접합 17
• 3.1.1 SPR 접합공정 구성요소 17
• 3.1.2 SPR 접합공정 과정 18
• 3.1.3 SPR 형상 및 다이 형상 19
• 3.1.4 SPR 변형 매개변수 21
• 3.2 소재 물성 평가 22
• 3.2.1 SPR 소재 22
• 3.2.2 접합 이종소재 인장시험 24
• 3.3 해석조건 26
• 3.3.1 유한요소 모델링 26
• 3.3.2 2D 리메쉬 조건 28
• 3.3.3 마찰 조건 29
• 3.3.4 SPR 접합 조건 30
• 3.3.5 데미지 조건 31
• 제 4 장 시험적 비교 분석 및 고찰 32
• 4.1 시험검증 32
• 4.1.1 접합 단면 비교(Case 1, Case 2) 32
• 4.1.2 하중 변화 그래프 비교분석(Case 1, Case 2) 35
• 4.2 해석 결과 38
• 4.2.1 섕크 두께 변화에 따른 해석 결과(Case 3, Case 4) 38
• 4.2.2 캐비티 높이 변화에 따른 해석 결과(Case 5, Case 6) 42
• 4.2.3 판재 종류 변화에 따른 해석 결과(Case 7, Case 8) 46
• 4.3 통계적 분석 및 고찰 66
• 4.3.1 R을 활용한 통계적 분석 66
• 4.3.2 회귀분석을 위한 통계 지표 70
• 4.3.3 회귀분석 결과(Case 3 ~ Case 6) 72
• 4.3.4 회귀분석 결과(Case 7, Case 8) 78
• 4.3.5 분산분석 및 랜덤 포레스트 통계 지표 85
• 4.3.6 분산분석 및 랜덤 포레스트 결과(Case 7, Case 8) 86
• 4.3.7 결과 및 토론 95
• 제 5 장 결론 및 기대효과 105
• 5.1 결론 105
• 5.2 기대효과 108
• REFERENCES 109