Arc 용접 모델링 방식에 따른 정/동특성 변화 연구

현대기아자동차김용대*, 서성훈, 서진관

TEL : 02-3464-7679 E-mail : ydkim200@hyundai.comy @ y

목차

• 개요

• 용접의 분류

• Arc 용접이란?

• Arc 용접 모델링 방법

• Arc 용접 모델링 해석결과• Arc 용접 모델링 해석결과

• 새로운 Arc 용접 모델링 방법

• 해석결과-고유모드

• 해석결과- FRF

• 해석 결과- 정강성

• 맺음말

2010-06-23 2

• 맺음말

개요

• Arc 용접(융접)의 물리적 거동을 표현하는 적절한 모델링 방식 부재

☞ 기존 대표 방식으로는 Rigid Body Element를 이용한 강체 결합 방식 사용

결과의 정확성 의문 및 모델링 자동화가 어려움

• 대안으로서 Flexible Element 를 이용한 모델링 방법 사용 중

☞ Shell Hexa-hedral Cweld Element 를 이용한 탄성 결합 이용☞ Shell, Hexa-hedral, Cweld Element 를 이용한 탄성 결합 이용

용접의 탄성 거동을 표현하는 데에 유리

녹아 붙는 용가제의 형상 특징 및 물리적 접합관계 표현 미비

• 본 연구에서는 용접의 형상 및 실제의 물리적 현상을 표현하는 모델링 방법 소개

☞ Penta-hedral Element를 이용한 용접의 탄성 거동 표현 및 모델링 편의성 도모

☞ 해석결과 비교를 통한 모델링 방법의 타당성 입증

용접의 분류가열온도와 가열방식에 따른 용접의 종류

용융용접

Arc용접

가열온도와 가열방식에 따른 용접의 종류

용융용접gas용접

Thermit 용접전자 beam 용접

용접

전자 beam 용접Electroslag 용접Plasma 용접

Gas 압접 Spot용접가압용접 가열식 압접

단접

전기저항용접

Seam용접

Projection 용접

☞ 융접 (용융용접)모재를 국부적으로 가열 용융시켜 여기에 용가재를 녹여 첨가하여 융합

납땜

전기저항용접

비가열식 압접 Upset 용접

모재를 국부적으로 가열 용융시켜 여기에 용가재를 녹여 첨가하여 융합

☞ 압접 (가압용접)접합부를 가열 또는 냉각하여 기계적 압력을 통해 접합

☞ 납땜납땜모재보다 융점이 낮은 비철금속, 비철 합금, 철금속을 용가재로 사용. 응고 시 분자간의 흡입력을 이용하여 접합

Arc 용접이란?

• 불활성 gas arc 용접

☞ 대기 중의 산소와 질소의 영향을 받지 않도록 argon(Ar) 이나 helium(He)과같이 고온에서도 금속과 반응을 하지 않는 불활성 gas 중에서 시행하는 용접

☞ 장점

1. 대체로 모든 금속의 용접이 가능하다.

2. 용접 후 청소가 필요 없다.2. 용접 후 청소가 필요 없다.

3. Spatter(용접 튐) 발생이 적고 합금원소의 손실이 적다.

4. 모든 자세의 용접이 가능하다.

5 용접 가능한 판의 두께 범위가 크다5. 용접 가능한 판의 두께 범위가 크다.

6. 용접 능률이 높다.

☞ 단점Arc: 용접봉과 모재 사이에 전압을 걸고 용접봉의 선단을 모재에가볍게 접촉시켰다 떼는 순간 방전으로 강한 빛과 고열을 내는☞ 단점

1. 용접비용이 크다.

가볍게 접촉시켰다 떼는 순간 방전으로 강한 빛과 고열을 내는원호모양의 불꽃

Arc용접: 용접봉과 모재 사이에 발생하는 arc열에 의해 모재의용접부를 용융시키고 용가재(filler metal)이 용접부에 첨가되어( )부품이 결합되는 용접

Arc 용접 모델링 방법

항목강체 결합

항목Common Node RBE 1:1 RBE1:2 RBE3

형상

항목탄성 결합

SOLID CWELD SHELLSOLID CWELD SHELL

형상형상

Arc 용접 모델링 해석결과

Model A Model B

Component Subframe Subframe

Node 위치 일치 여부 일치 비일치

ARC 용접

Model A : 실물 형상(Arc 용접) Model A : 해석 모델Model A 실물 형상(Arc 용접) Model A 해석 모델

Arc 용접 모델링 해석결과 – Node 정렬 모델 해석결과

고유 진동수 비교

모델링

기법

L용접

RBE2 (1:1) HEXA CWELD SHELL RBE3

T 상동 RBE2 (1:1) 상동 상동 상동기법

용접상동 RBE2 (1:1) 상동 상동 상동

형상

체결: 상면-하면 Node-Node Patch-Patch Patch-Patch Node-Node Node-Patch

(패치크기)1차 229.6 Hz 233.9 Hz 233.6 Hz 229.2 Hz 233.0 Hz2차 279.7 Hz 284.1 Hz 283.2 Hz 279.8 Hz 283.5 Hz3차 392.2 Hz 402.9 Hz 400.2 Hz 392.3 Hz 398.6 Hz4차 414.0 Hz 426.5 Hz 420.3 Hz 413.7 Hz 421.9 Hz5차 449.8 Hz 466.5 Hz 465.1 Hz 448.7 Hz 457.6 Hz

평균 오차 기준값 +2.6% +2.0% -0.1% +1.6%

Arc 용접 모델링 해석결과 – Node 비정렬 모델 해석결과

고유 진동수 비교

모델링

기법

B 용접

RBE2 (1:2) HEXA CWELD SEHLL RBE3

T 용접

상동 RBE2 (1:2) 상동 상동 상동용접

상동 RBE2 (1:2) 상동 상동 상동

형상

체결: 상면-하면 Node-Node Patch-Patch Patch-Patch Node-Patch Node-Patch

(패치크기)1차 196.9 Hz 201.4 Hz 203.3 Hz 197.8 Hz 199.8 Hz2차 236.6 Hz 240.6 Hz 242.6 Hz 237.8 Hz 239.9 Hz3차 307.8 Hz 315.4 Hz 318.0 Hz 309.7 Hz 312.9 Hz4차 359.3 Hz 389.2 Hz 392.0 Hz 361.6 Hz 366.9 Hz5차 389.3 Hz 403.8 Hz 406.0 Hz 394.7 Hz 397.6 Hz

평균 오차 기준값 +3.7% +4.5% +0.7% +1.8%

Arc 용접 모델링 해석결과 – Node 정렬/비정렬 차이

Node 정렬 해석결과

RBE2 HEXA CWELD SHELL RBE3

Node 비정렬 해석결과

RBE2 HEXA CWELD SHELL RBE3

400

450

500

수(H

z)

C S

340

390

수(H

z)

C S

200

250

300

350

고유

주파

수

190

240

290

고유

주파

수

200

1 2 3 4 5

Mode No.

190

1 2 3 4 5

Mode No.

Arc 용접 모델링 해석결과 – Review

• Patch Patch > Node Patch > Node Node 순의 강성 수준• Patch-Patch > Node-Patch > Node-Node 순의 강성 수준

• Node 비정렬 방식은 특정 모드에서 Patch-Patch 방식과 결과 상이Node 정렬 방식에서는 없는 현상. 신뢰성 의심

• Hexahedral 과 CWELD 방식은 Patch-Patch 방식으로 1% 이내 동일한 결과

• SHELL 방식은 Node-Node방식으로 Patch-Patch 방식대비 2%이상 낮은 결과

• Arc 모델링 방법으로 1) 탄성결합 방식, 2) Patch-Patch 방식이 우수

　 Hexaheadral & CWELD 방식이 이에 속하지만, T Joint 용접에 대한 치명적 약점 존재

새로운 방식의 Arc 용접 모델링 방법 필요

새로운 Arc 용접 모델링 방법 - 필요기능

모델링 관점 필요 기능

실제 용접 형상에 가장 가까운 모델링

모델링 간편

모델 수정 용이

탄성 결합

해석결과의 정확성 관점 필요 기능

탄성 결합

T Joint에 대한 동적 거동 묘사 가능

N d 정렬 여부에 상관없이 해석결과의 강건성 필요Node 정렬 여부에 상관없이 해석결과의 강건성 필요

Patch to Patch 연결 방식 사용

새로운 Arc 용접 모델링 방법 – Concept

Joint 구분 형상 연결구조 개념

depLAP Joint

PentahedralEl t

Panel No.1

depdep

Element

Panel No.2 dep

indep indep

depT Joint

: 용접

P l N 1Pentahedral

Element

Panel No.1

depdep

indep indep: 용접

Panel No.2

indep indep

새로운 Arc 용접 모델링 방법 – Concept

• Pentahedral 요소를 연속적으로 연결하여 Arc 용접 용재를 표현

• 생성된 Pentahedral 요소와 연결 요소(RBE3)를 사용하여 용접 대상 두 부재를연결

Solid Hexahedral 요소를 이용한 연결 방법과 유사

• Pentahedral 요소의 크기를 통해 용재의 중량 및 강성을 반영실제 용접 형상과 유사

• T Joint 용접이 가능용접이 가능

• 용접 대상 두 부재의 Node 정렬이 불필요

• 모델링 자동화가 가능

모델링 공수 저감 가능

새로운 Arc 용접 모델링 방법 – 모델링 예

Panel No.1

RBE3

PentahedralElement

P l N 2Panel No.2

T Joint 용접 모델링 예 Lap Joint 용접 모델링 예

해석모델 검증

검증 모델

Component Front Subframe

Node 위치 일치 일치Node 위치 일치 일치

Node No. 34,440

Element No. 83,775

비교 대상 시험 항목 Modal Test

해석항목

1) 고유 모드

2) FRF해석항목 2) FRF

3) Statics

Arc 용접 모델링 변수

모델링

기법

L 용접 RBE2 (1:2) HEXAT 용접 RBE2 (1:2) PENTA기법 T 용접 RBE2 (1:2) PENTA

L Joint 용접 형상

모델링

기법

L 용접 SHELL PENTAT 용접 PENTA PENTA

L Joint 용접 형상L Joint 용접 형상

Hexa, Shell 연결 용접은 ‘T joint ’용접 불가 하여 Penta 연결 용접 하여 비교

해석 결과 – 고유모드 MAC Chart 분석RBE2 2:1 연결 Hexahedral + RBE3 연결

CAEMode

CAEMode

TEST TESTM dMode Mode

Shell 연결Pentahedral + RBE3 연

결

CAEMode

CAEMode

TEST TESTTESTMode

TESTMode

해석 결과 –고유 주파수 분포

RBE Penta Shell Hexa

4.0%

6.0%

2 0%

0.0%

2.0%

rror(

%)

6 0%

-4.0%

-2.0%Er

-8.0%

-6.0%

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Mode Number

시험 결과 대비 해석 고유주파수 차이

해석 결과 – FRF

응답점

20dB가진점

구 분 검증 모델

가진점 Front Roll mount 상단가진점 Front Roll mount 상단

응답점 Right Rear 차체 마운트

경계 조건 Free-free

하중 전주파수 Unit Force (1N)

Arc 용접 모델링 방법 별 FRF 결과 비교

해석 결과 – 정강성

구속213 00

하중점

210 00

211.00

212.00

213.00

) _

1.02A1.02A

N)

207 00

208.00

209.00

210.00

성(m

m/N

A0 99A강성

(mm

/N

구속

구 분 검증 모델

하중점 Front Roll mount 상단205.00

206.00

207.00

정강

성 0.99A

정강

하중점 Front Roll mount 상단

응답점 하중에 대한 최대 변위점

경계 조건차체 Mounting 위치Fixed

203.00

204.00

RBE Penta Shell HexaFixed

하중 Unit Force (1N)Arc 용접 모델링 방법 별 정강성 결과 비교

검증 해석 결과 리뷰

• 시험 결과와의 MAC Chart 비교 결과☞ Penta 용접 > Hexa 용접 > Shell 용접 > RBE 용접 순의 정확도를 보임

• 시험 결과와의 고유 주파수 비교 결과차 약 이상에서 연결이 다 경향☞ 10차 모드(약 280Hz) 이상에서는 Hexahedral 연결이 다른 경향

용접 삽입형 연결의 영향으로 추정

☞ RBE 연결의 경우 3, 4차 모드에서 시험과 고유주파수 유사

• FRF 해석결과 250Hz 영역부터 Hexahedral 요소 연결 방식에서 차이 발생용접 삽입형 연결의 영향으로 추정

• 정강성 해석결과 기존 RBE 연결 방식대비 최대 2% 이내의 결과차이로 작은 편

실제 A 용접 형상과 유사한 모델링 기법이 가장 우수한 해석결과 도출실제 Arc 용접 형상과 유사한 모델링 기법이 가장 우수한 해석결과 도출

Patch-Patch 연결방식은 모델링 자동화 가능

☞ 해석결과의 우수성 및 모델링 편의성을 위해 Pentahedral 방식의 용접 추천☞ 해석결과의 우수성 및 모델링 편의성을 위해 Pentahedral 방식의 용접 추천

맺음말

• 기존의 용접 방식 특징 및 장단점 소개강체 결합, 탄성 결합의 용접 형상 표현의 한계 확인

• Pentahedral 요소를 이용한 새로운 모델링 기법 소개용접 표현의 한계 극복 및 모델링 자동화용접 표현의 한계 극복 및 모델링 자동화

• 새로운 모델링 방법의 우수성 검증• 새로운 모델링 방법의 우수성 검증시험 결과와의 일치성 우수

기존 방법과 해석 결과 유사하여 모델링 방법 변경에 따른 충격 없음기존 방법과 해석 결과 유사하여 모델링 방법 변경에 따른 충격 없음