KR102163021B1 - 차량용 중공형 알루미늄 범퍼빔의 프레스 성형해석 방법 - Google Patents

차량용 중공형 알루미늄 범퍼빔의 프레스 성형해석 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 차량용 중공형 알루미늄 범퍼빔의 프레스 성형해석 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 차량용 중공형 범퍼빔의 프레스 성형 시 발생하는 응력, 변형률, 성형형상 및 미성형 여부 확인 및 성형 후 범퍼빔에 발생하는 스프링백을 고려하여 차량용 중공형 범퍼빔을 설계할 수 있도록 하는 프레스 성형해석 방법에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명의 차량용 중공형 알루미늄 범퍼빔의 프레스 성형해석 방법은 알루미늄 범퍼빔의 유한요소해석을 통해 금형에 의해 성형 시 빔에서 발생하는 응력, 변형률, 성형 형상 또는 미성형 여부를 확인하는 성형 해석단계; 성형 후 금형에서 탈거 시 발생하는 스프링백을 확인하는 스프링백 해석단계; 및 상기 성형 해석단계에서 산출된 응력, 변형률 및 스프링백 해석단계에서 산출된 스프링백을 반영하여 차량용 중공형 알루미늄 범퍼빔을 설계하는 설계단계를 포함한다.

Description

차량용 중공형 알루미늄 범퍼빔의 프레스 성형해석 방법{Press forming analysis method of hollow aluminum bumper beam for vehicle}
본 발명은 차량용 중공형 알루미늄 범퍼빔의 프레스 성형해석 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 차량용 중공형 알루미늄 범퍼빔의 프레스 성형 시 발생하는 응력, 변형률, 성형형상 및 미성형 여부 확인 및 성형 후 범퍼빔에 발생하는 스프링백을 고려하여 차량용 중공형 범퍼빔을 설계할 수 있도록 하는 프레스 성형해석 방법에 관한 것이다.
일반적으로 차량용 범퍼는 차량의 저속 충돌 시 충격을 흡수하여 차량의 물리적인 손상을 최소화하기 위한 것으로서, 다른 자동차나 고정체와의 충돌 시 그 충격을 흡수하여 탑승자의 안전을 도모하게 되며, 동시에 차제의 변형을 최소화 할 수 있도록 자동차의 전, 후방에 배치되는 완충수단이다.
이러한 범퍼는 외관을 이루어는 커버, 충돌시 지지하는 범퍼빔, 범퍼와 차체를 연결하는 스테이 또는 크래쉬박스 및 충돌에너지를 흡수하는 에너지 업쇼버 등으로 구성된다.
이와 같이 자동차의 범퍼빔은 차체와 더불어 충돌 시 소성변형을 통한 충돌에너지를 흡수하는 부품으로 일반적으로 스틸 소재의 파이프를 스트레치 벤딩이나 롤 벤딩 가공을 통해 형상을 가공하고, 추가로 충돌에너지 흡수를 위한 크래쉬 박스를 가공하여 용접 등의 기계적 접합을 통해 제품을 생산한다.
하지만 자동차의 전장화 증가 및 연비 경쟁 등으로 인한 자동차부품 경량화 요구에 따라 범퍼빔 또한 경량소재인 알루미늄으로 확대되고 있으며, 알루미늄 소재 범퍼빔의 경우 스틸 소재 대비 강성이 부족하여 소재 개발을 통한 범퍼빔의 강성 강화, 가변단면 설계를 통한 충돌에너지 흡수 및 범퍼빔 전체 강성을 강화시키는 제품 개발이 진행되고 있는 추세이다.
세계적인 선진 자동차 부품사의 경우 이러한 알루미늄 압출재 성형공법을 개발하여 제조공정의 단순화는 물론 부품수를 줄이는 등 가격경쟁력을 강화하고 있으며, 이를 선진 차량에 적용하여 차량 경량화는 물론 세계 시장 점유율을 확대하고 있다.
하지만, 상술한 바와 같이 범퍼빔의 경우 금속 소재로 제조되고 있으며, 금속 특유의 탄성에 의해 실제 제조하고자 하는 설계상의 범퍼빔의 형상과 금형에 의해 성형된 범퍼빔의 형상이 상이하게 된다. 따라서, 설계시 요구한 형상과 동일한 형상을 갖도록 차량용 범퍼빔을 프레스 성형해석하는 방안이 요구된다.
한국등록특허 제10-1867728호(발명의 명칭: 금형 설계 방법) 한국공개특허 제2015-0110780호(발명의 명칭: 응력-스트레인 관계 시물레이션 방법, 스프링백량 예측 방법 및 스프링백 해석 장치)
본 발명이 해결하려는 과제는 차량용 중공형 알루미늄 범퍼빔의 프레스 성형해석 방법을 제안함에 있다.
본 발명이 해결하려는 다른 과제는 유한요소해석을 통해 응력, 변형률, 성형형상 확인 및 스프링백을 고려하여 범퍼빔의 설계에 필요한 차량용 중공형 알루미늄 범퍼빔의 설계에 필요한 설계인자 및 설계인자의 수치를 제공함에 있다.
이를 위해 본 발명의 차량용 알루미늄 범퍼빔의 프레스 성형해석 방법은 알루미늄 범퍼빔의 유한요소해석을 통해 금형에 의해 성형 시 빔에서 발생하는 응력, 변형률, 성형 형상 또는 미성형 여부를 확인하는 성형 해석단계; 성형 후 금형에서 탈거 시 발생하는 스프링백을 확인하는 스프링백 해석단계; 및 상기 성형 해석단계에서 산출된 응력, 변형률 및 스프링백 해석단계에서 산출된 스프링백을 반영하여 차량용 중공형 알루미늄 범퍼빔을 설계하는 설계단계를 포함한다.
본 발명에 따른 차량용 중공형 알루미늄 범퍼빔의 프레스 성형해석 방법은 중공형 알루미늄 부재의 성형 시 발생하는 응력, 변형률, 성형 형상 및 스프링백 등을 산출하여 범퍼빔 설계 단계에서 제품 성형 시 발생 가능한 문제점 및 대책 등을 사전에 검토하여 설계에 반영할 수 있는 효과가 있다.
부연하여 설명하면, 성형시 발생하는 응력, 변형률, 성형 형상 및 스프링백을 감안하여 범퍼빔 성형을 위한 금형을 제작함으로써 실제 제작하고자 하는 형상을 갖는 범퍼빔을 제작할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 차량용 중공형 알루미늄 범퍼빔의 프레스 성형해석 과정을 도시한 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 차량용 중공형 알루미늄 범퍼빔의 프레스 성형을 위한 금형 중 펀치가 이동한 예(특히 성형이 완료된 상태이며, 금형 제거 전)를 도시하고 있다.
도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 차량용 중공형 알루미늄 범퍼빔의 프레스 성형 방법을 도시한 설명도이다.
도 4는 본 발명의 일실시 예에 따른 구속력 및 범퍼빔 질량을 적용하는 방법을 설명한 설명도이다.
전술한, 그리고 추가적인 본 발명의 양상들은 첨부된 도면을 참조하여 설명되는 바람직한 실시 예들을 통하여 더욱 명백해질 것이다. 이하에서는 본 발명의 이러한 실시 예를 통해 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 차량용 중공형 알루미늄 범퍼빔의 프레스 성형해석 과정을 도시한 흐름도이다. 이하 도 1을 이용하여 차량용 중공형 알루미늄 범퍼빔의 프레스 성형해석 과정에 대해 상세하게 알아보기로 한다.
도 1에 의하면, 차량용 중공형 알루미늄 범퍼빔의 프레스 성형해석 과정은 성형 해석단계, 스프링백 해석단계 및 범퍼빔 설계단계로 구성된다. 물론 프레스 성형해석 과정은 프레스 성형해석 장치에서 수행됨은 자명하다. 차량용 중공형 알루미늄 범퍼빔의 프레스 성형해석 방법은 알루미늄 범퍼빔의 유한요소해석을 통해 성형 시 빔에 발생하는 응력, 변형률, 성형 형상 및 미 성형 여부를 확인하는 성형 해석단계(S10), 성형 후 금형에서 탈거 시 발생하는 스프링백을 확인하는 스프링백 해석단계(S20) 성형해석단계에서 산출된 응력, 변형률 및 스프링백 해석단계에서 산출된 스프링백을 반영해 알루미늄 범퍼빔을 설계하는 설계단계(S30)로 구성된다.
이하에서는 각 단계별로 수행되는 동작에 대해 구체적으로 알아보기로 한다.
성형 해석단계(S10)는 성형 시 금형 및 범퍼빔 질량에 의한 힘의 영향을 받지 않는 준-정적해석(Quasi-Static Analysis)이 가능하도록 프레스 성형에 필요한 최소 해석시간을 계산하여야 한다. 이는 모드해석(Modal Analysis)을 통해 프레스 성형 전 차량용 중공형 알루미늄 범퍼빔(Blank)의 최저 고유진동수(Natural Frequency)를 산출하며, 산출된 고유진동수를 이용하여 하기 수학식 1과 같이 최소 해석시간을 계산한다.
[수학식 1]
최소 해석시간[sec] = 1/프레스 성형 전 차량용 중공형 알루미늄 범퍼빔의 최저 고유진동수[Hz]
수학식 1과 같이 최소 해석시간을 산출한 후, 성형 해석단계에서 프레스 성형 해석시간을 수학식 1에서 산출한 최소 해석시간보다 최소한 동일하거나 길게 설정해야 정확한 정적 해석결과를 얻을 수 있다.
일반적으로 프레스를 이용한 성형해석에서 금형(특히, 펀치, Punch)(204)이 이동하는 총 시간을 프레스 성형 해석시간으로 설정하는데, 상기에서 계산한 최소 해석시간을 기준으로 금형(Punch)(204)의 이동속도를 결정한다. 부연하여 설명하면, 프레스 성형 해석시간이 최소 해석시간과 최소한 동일하도록 금형의 이동속도를 설정한다.
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 차량용 중공형 알루미늄 범퍼빔의 프레스 성형을 위한 금형 중 펀치가 이동한 예(특히 성형이 완료된 상태이며, 금형 제거 전)를 도시하고 있다.
일반적으로 성형 해석단계(S10)에서 범퍼빔(100) 성형과정 시 금형(Die)(202)과 탄성체인 범퍼빔(100)이 도 3과 같이 접촉하면서 상호간 반력으로 인해 떨림이 발생하게 된다. 이는 계산상으로 해의 수렴성을 떨어트려 해석시간이 길어지는 문제가 발생하게 된다. 구체적으로 살펴보면, 차량용 중공형 알루미늄 범퍼빔의 경우 접촉면이 분리가 될 경우 내부가 비어있어 변위가 커지게 되며, 계속되는 금형의 이동으로 접촉과 분리가 반복되는 과정을 통해 떨림(Chattering) 현상이 발생한다.
따라서, 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 범퍼빔을 고정하는 클램프(300)에 도 4와 같이 금형(Die) 방향으로 약간의 구속력을 적용하고, 이외에도 범퍼빔을 고정하는 클램프(300)에 범퍼빔과 동일한 값의 질량을 부여하여 이러한 문제를 해결할 수 있다. 금형 방향으로 구속력을 적용하면 접촉면의 분리를 억제할 수 있어 떨림을 최소한으로 줄일 수 있다.
상술한 바와 같이 성형 해석단계에서는 차량용 중공형 알루미늄 범퍼빔의 유한요소해석을 통해 프레스 성형 시 빔에 발생하는 응력, 변형률, 성형 형상 및 미 성형 여부를 확인한다. 일반적으로 복잡한 형상에 대한 응력, 변형율 계산에 대해서는 정형화된 형상의 요소(삼각형, 사각형, 사면체, 육면체 등)로 복잡한 형상을 유한개로 분할하고, 각각의 요소에 대해 응력 및 변형율을 계산한 다음 연립으로 전체 형상에 대한 응력, 변형율을 계산하는 유한요소 해석(Finite Element Analysis)을 이용한다.
이하에서는 스프링백 해석단계에서 대해 알아보기로 한다.
일반적으로 프레스 성형에서 금형 이형(제거) 후 제품에 작용하고 있는 잔류응력(Residual Stress)에 의해 제품형상에 변형이 발생하고, 소재의 강도가 커질수록 성형 후 스프링백에 의한 형상변화가 커지게 된다. 현재, 스프링백 대책을 위해 유한요소 해석에 의한 수치 시뮬레이션이 가장 많이 이용되고 있으나, 본 발명에서는 스프링백 해석단계(S20)에서는 성형해석의 최종 상태에서 범퍼빔에 적용한 경계조건은 모두 유지하고 성형에 사용되었던 모든 금형 및 클램프를 제거한 상태에서 스프링백을 계산한다.
유한요소 해석의 지배 방정식은 F(Force) = k(스프링상수) * x(변위) 이며, 이는 뉴턴의 제2 운동방정식인 F = Ma + Cv + kx에서 운동에 관련된 항목이 삭제된 형태라서 해석대상인 범퍼빔이 운동하게 될 경우에는 해석이 불가능하다. 따라서 운동과 관련된 항목인 속도(v) 및 가속도(a) 등을 계산하는 것이 아닌 찌그러짐(변형, x)을 계산한다. 이외에도 해석대상인 차량용 중공형 알루미늄 범퍼빔 움직이지 않도록 고정되는 부위에는 강제적으로 변위가 발생하지 않도록 구속하며, 이를 경계조건이라고 한다.
스프링백 계산은 금형으로 탄성체인 차량용 중공형 알루미늄 범퍼빔(Blank)을 프레스 성형하더라도 이형 과정에서 금형에 의해 제품에 적용되었던 강제변위 또는 힘이 제거되면 제품의 탄성력 및 잔류응력에 의해 형상이 변경하게 되는데, 프레스 성형공정 최종 상태에서 제품의 치수와 이형 후 제품의 치수 차이를 스프링백이라 한다. 따라서 해당 단계에서는 스프링백에 의한 제품의 치수 차이를 산출한다.
또한, 상기에서 계산한 스프링백 결과에 기초하여 스프링백의 요인을 분석하고, 그 결과에 기초하여 금형형상 수정 또는 제품의 형상을 수정하여 그 효과를 재차 스프링백 해석을 통해 확인한다.
마지막으로 설계단계는 성형 해석단계에서 산출된 응력, 변형률 및 스프링백 해석단계에서 산출된 스프링백을 반영해 알루미늄 범퍼빔을 설계하는 단계이다. 즉, 원하는 형상이 얻어질 때 까지 성형 해석단계와 스프링백 해석단계를 반복하여 설계한 범퍼빔의 형상과 동일한 형상을 갖는 차량용 중공형 알루미늄 범퍼빔을 제작할 수 있는 프레스용 금형을 제작할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 일실시 예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
S10: 성형 해석단계 S20: 스프링백 해석단계
S30: 범퍼빔 설계 단계 100: 범퍼빔
210: 다이 220: 펀치
300: 클램프

Claims (4)

  1. 프레스 성형해석 장치에서 차량용 중공형 알루미늄 범퍼빔의 프레스 성형을 해석하는 방법에 있어서,
    차량용 중공형 알루미늄 범퍼빔의 유한요소해석을 통해 금형에 의해 프레스 성형 시 빔에서 발생하는 응력, 변형률, 성형 형상 또는 미성형 여부를 확인하는 성형 해석단계;
    프레스 성형 후 금형에서 탈거 시 발생하는 스프링백을 확인하는 스프링백 해석단계; 및
    상기 성형 해석단계에서 산출된 응력, 변형률 및 스프링백 해석단계에서 산출된 스프링백을 반영하여 차량용 중공형 알루미늄 범퍼빔을 설계하는 설계단계를 포함하며,
    상기 성형 해석단계에서 금형 및 차량용 중공형 알루미늄 범퍼빔 질량에 의한 힘의 영향을 받지 않는 준-정적해석(Quasi-Static Analysis)이 가능한 최소 해석시간을 수학식 2에 의해 산출하며, 프레스 성형 해석시간이 산출된 최소 해석시간보다 동일하거나 길도록 프레스 성형을 위한 금형의 이동속도를 설정함을 특징으로 하는 차량용 중공형 알루미늄 범퍼빔의 프레스 성형해석 방법.
    [수학식 2]
    최소 해석시간[sec] = 1/프레스 성형 전 차량용 중공형 알루미늄 범퍼빔의 최저 고유진동수[Hz]
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서, 상기 성형 해석단계에서 상기 성형시 금형과 차량용 중공형 알루미늄 범퍼빔의 탄성에 의해 상호 접촉시 발생하는 떨림을 방지하기 위해 차량용 중공형 알루미늄 범퍼빔의 질량과 동일한 질량을 갖는 클램프를 이용하여 차량용 중공형 알루미늄 범퍼빔을 고정하며,
    상기 차량용 중공형 알루미늄 범퍼빔이 금형에 밀착되도록 상기 클램프에 구속력을 가함을 특징으로 하는 차량용 중공형 알루미늄 범퍼빔의 프레스 성형해석 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 스프링백 해석단계에서,
    상기 성형 해석단계에서의 차량용 중공형 알루미늄 범퍼빔의 경계조건을 유지하고, 프레스 성형에 사용되었던 금형 및 클램프를 제거하여 차량용 중공형 알루미늄 범퍼빔의 탄성에 의한 형상 변경을 계산함을 특징으로 하는 차량용 중공형 알루미늄 범퍼빔의 프레스 성형해석 방법.
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