자동차 설계를 위한 AHSS 시뮬레이션

1. 스트레칭된 AHSS 컷 엣지에서 주의할 사항

AHSS 성형 시뮬레이션 시, 가장 중요한 사항인 컷 엣지 스트레칭부터 시작합니다. 컷 엣지에서 단축 인장이 보이는 모든 상황을 알고 있어야 합니다.

성형 한계 다이어그램은 엣지 스트레칭에 대한 가이드로 사용할 수 없습니다, 그 이유는 실험실에서 재료를 테스트하고 성형 한계 곡선을 만들 때 AHSS 강종을 컷 엣지에서 테스트하지 않고, 중간에서, 즉 시트 몸체에서 테스트하기 때문입니다.

또한 엣지 연성과 연신율 값 사이에는 상관관계가 없기 때문에 AHSS “바나나 곡선” 그래프를 사용하여 엣지 연성을 평가할 수 없습니다.

AHSS 엣지 연성 한계에 크게 영향을 미치는 것은 절삭 공구의 설계 방식입니다. SSAB의 지식 서비스 센터에서는 당사의 Docol® 자동차용 AHSS 강종을 테스트하여 각 강종에 대한 최적의 절단 간극을 찾습니다.

그렇지만 AHSS 시뮬레이션을 훨씬 더 어렵게 만드는 것은 절삭 공구의 마모로 인해 연속 생산 시 엣지 연성이 변한다는 점입니다. 일부 시뮬레이션 소프트웨어는 엣지 스트레칭을 고려하는 방법을 포함하기 시작했으며, 레이저 컷 엣지의 기본값이 가장 크고, 그 다음이 새로운 펀치 엣지, 그리고 그 다음이 마모된 펀치 엣지 순입니다.

따라서 AHSS 시뮬레이션에서는 다음 사항에 주의를 기울여야 합니다:

• 엣지 스트레칭은 어디에 나타나는가?
• 엣지 스트레칭의 양은 얼마입니까？
• 엣지 스트레칭은 어떤 유형입니까？

2. 실전 테스트를 사용하여 AHSS 컷 엣지에서의 엣지 변형을 검증합니다

다양한 AHSS 거동과 변형 변화도를 생성하는 방법은 여러 가지가 있습니다：시트 평면에서, 두께 방향에서, 그리고 컷 엣지 자체를 따라 나타나는 강도와 농도 측면에서 생성할 수 있습니다.

SSAB는 균열이 발생하기 전의 AHSS 강종의 최대 절곡 각도를 확인하는 실전 테스트인 이중 절곡 테스트를 실시했습니다.

당사는 이중 절곡 테스트에서 얻은 결과를 홀 확장 테스트 결과와 비교합니다. 또한 허용 가능한 변형 수준 측면에서 테스트 간에 큰 차이가 있을 수 있습니다. 예를 들어 1 mm의 980 DP 강종은 홀 확장 시험에서는 최대 46%의 변형이 가능하지만 이중 절곡 테스트에서는 11%만 가능합니다.

 

3. 사전 변형된 AHSS 영역을 관통하는 주요 변형을 찾습니다

엣지 연성을 위한 ISO 16630 홀 확장 테스트는 AHSS 샘플에서 사전 변형률이 제로인 경우 실시됩니다. 실제로 AHSS 시트는 절단 및 최종 컷 엣지 변형에 앞서 사전 변형된 상태에 있는 것이 일반적입니다. 홀 확장 비율(HER) 테스트를 위해 커다란 시편(100 x 100 mm)을 사전 변형시키는 것이 까다롭기 때문에 이러한 상황에 대한 일반적인 테스트를 설계하는 것은 어렵습니다. 이러한 상황에서는 AHSS 강종의 성능을 어떻게 예측할 수 있을까요?

오직 HER 테스트에만 의존하는 대신 부품 시뮬레이션을 할 수 있습니다 - 사전 변형된 영역을 관통하는 주요 변형을 찾습니다. 주요 변형을 찾았다면, 이제 몇 가지 옵션이 있습니다. 더 나은 컷 엣지 연성을 갖춘 AHSS 강종으로 재료를 변경하여 추가적인 안전 마진을 제공할 수 있습니다. 아니면 사전 변형 정도를 낮은 수준으로 유지하도록 설계를 조정할 수 있습니다. 또는 부품의 최종 변형률이 더 낮게 나타나는 다른 영역으로 사전 변형 위치를 옮깁니다.

4. 절곡 시 SSAB가 변형 수준을 결정하도록 하십시오

성형 한계 다이어그램(FLD)은 두께 전체에 걸쳐 동일한 변형률을 갖는 요소에 유효합니다. 그렇지만 AHSS 강종을 절곡할 때에는, 바깥쪽은 펴지고, 안쪽은 압축되며, 중간에는 변형되지 않은 중립 층이 있게 됩니다. 시뮬레이션 시 기본 보기를 사용하면 중립 층을 볼 수 있습니다.

대신 시트의 외부 층에서 변형량을 확인해야 합니다. 그렇지만 이 경우 외면의 결함을 판단할 때 FLD 플롯을 사용해서는 안 됩니다: 이렇게 하면 매우 보수적인 결과에 이를 수 있습니다.

그렇다면 어떤 수준이 AHSS 절곡에 안전할까요? 그 값에 대해서는 저희에게 문의하셔야 합니다. 예를 들어 당사는 한 독일 고객을 위해 성형 실험실에서 2.0 mm의 Docol® 1400M 강종을 테스트했습니다. 절곡 시 변형률이 18%로 측정되었으며, 이는 이 강종이 두께 전체에 걸쳐 동일하게 변형된 상태에서 도출된 성형 한계 곡선상의 10%보다 훨씬 높았습니다(FLD 테스트).

5. 절곡 및 절곡 해제와 같은 현상을 파악하기 위해 점진적 성형 시뮬레이션 사용

어떠한 금속이든 구부린 후 다시 반대 방향으로 구부리고, 이를 반복하면, 금속이 파손되어 재료가 손상됩니다. 이러한 거동은 성형 한계 곡선으로 확인할 수 없으며, 모델링하기가 어렵습니다.

예를 들어, 어떤 고객의 경우 AHSS 성형 시에는 어떠한 문제점도 발생하지 않았으며 한계치를 넘어선 변형도 없었습니다. 그렇지만 생산 시 균열이 발생했습니다! 그래서 당사는 "누적 변형"이라고 하는, 특별한 결과값을 제공하는 점진적 성형 시뮬레이션을 실시한 바 있습니다(이미지 참조).

 

6. AHSS 강종의 높은 기계적 공차에 지나치게 의존하지 않도록 주의해야 합니다

때때로 우리는 모든 생산 불안정성이 재료 변동에서 비롯된다는 주장을 듣습니다. 일관된 AHSS 소재가 분명 중요하긴 하지만 그게 전부가 아닙니다.

사실 당사는 Docol^® 강종과 일반 VDA 강종을 비교하는 분석을 계속해서 반복하고 있습니다. 한 사례에서, 우리는 VDA 239에 따라 ±1°의 공차를 가진 980개의 복합 조직(CP) 강종 AHSS로 제작된 단순한 플랜지 1개를 살펴 본 적도 있습니다. 제목이 다음과 같은 당사의 주문형 웨비나에서 전체 분석 프로세스를 확인하실 수 있습니다: 자동차 설계용 AHSS 시뮬레이션: 상위 10가지 고려사항.

분석에 따르면 Docol^® 980 CP로 제작된 특정 부품의 경우, 일반 VDA 980 CP로 제작된 부품보다 공차를 벗어날 가능성이 628배 낮습니다, 그 이유는 Docol^® 소재의 기계적 공차가 더 높기 때문입니다.

특히 좁은 기계적 공차에 좌우되는 AHSS/UHSS/기가파스칼 강종 적용분야의 경우 재료는 일관성이 매우 높아야 합니다. 그렇지만 높은 기계적 공차에만 의존하여 AHSS 부품을 설계하는 것은 위험합니다. 생산 중에는 공정 변형, 공구 마모, 윤활 등과 같은 다양한 요소들이 영향을 미칩니다.

반복성이 높은 AHSS 공정을 위한 가장 중요한 매개변수를 꼽자면 견고한 부품 설계, 고강성 형상의 최대한 활용, 작은 반경, 보강 요소의 전략적 사용 등등을 들 수 있습니다.

 

7. AHSS 성형 레이아웃을 최적하합니다

성형 레이아웃을 최적화하려면 타당성, 반복성, 적용 가능한 압력 및 공구 마모 등을 포함한 많은 매개변수를 고려해야 합니다.

당사의 시뮬레이션 웨비나에서는 동일한 AHSS 자동차 부품을 세 개의 서로 다른 접근 방식으로 시뮬레이션하는 방법을 볼 수 있습니다: 드로우 + 플랜지；플랜지 + 캠 트림；및 캠이 있는 플랜지.

이러한 특정 사이드 멤버 설계의 경우, 드로우 + 플랜지 시뮬레이션에서는 최대 스프링백 변위가 10 mm로 나타나지만, 그 외에는 양호해 보입니다. 플랜지 + 캠 시뮬레이션에서는 최대 스프링백 변위가 13 mm이지만 볼록 표면 반경에서 허용 오차 문제가 있습니다. 캠이 있는 플랜지 시뮬레이션에서는 컷 엣지의 변형이 심하고, 접힌 반경으로 인해 형상 정확도가 크게 떨어집니다.

8. 주름 시뮬레이션은 너무 보수적일 수 있습니다

엣지 플랜지가 고도로 압축되어 있고 블랭크 홀더를 사용할 수 없는 AHSS 부품의 경우, 주름을 감지하기 위해 부품을 시뮬레이션해야 합니다. 여기에서는 4 mm 두께의 AHSS로 제작된 부품을 볼 수 있습니다. 실제 프로토타입과 비교하기 위해 세 가지 다른 접근 방식을 사용하여 이 부품을 시뮬레이션했습니다:

1. 셸 요소와 자체 접촉이 없는 상태에서 수행된 시뮬레이션에서는 일단 주름이 발생하면 회복 능력이 낮다는 결과가 나타났습니다. 그러나 현실에서는 성형 후 주름이 보이지 않습니다.
2. 완전히 통합된 솔리드 요소를 사용하고 자체 접촉이 없는 시뮬레이션. 이 결과는 현실에 가까웠지만 성형 후에도 여전히 주름이 남아 있었습니다.
3. 솔리드 요소 및 자체 접촉을 사용한 시뮬레이션. 여기에서는 현실과 잘 일치하는 결과가 나타났습니다.

AHSS 스탬핑 시뮬레이션의 경우, 가장 일반적인 접근 방식은 자체 접촉이 없는 쉘 요소를 사용하는 것입니다. 주름이 생기는 경향을 확인하는 데 있어, 이는 매우 보수적인 요소 유형이다. 적어도, 자체 접촉이 없는 쉘 요소를 사용하여 주름이 생기지 않는다면, 실제로 주름이 생기지 않을 것이라고 말할 수 있습니다. 그러나 이 예시에서 볼 수 있듯이 이 접근 방식은 실제로는 존재하지 않는 AHSS 부품에 대한 몇 가지 제한을 두고 있습니다.

9. AHSS 시뮬레이션을 통해 공구를 열 수 있는 시트 반동력을 감지할 수 있습니까?

AHSS/UHSS/기가파스칼 강종을 사용할 때 시트의 반동력은 블랭크 홀더를 사용하는 경우 증가합니다. AHSS 반동력이 블랭크 홀더의 힘보다 크면 공구가 열립니다. 그 결과 공정 통제가 매우 어려워집니다: 주름과 균열이 발생하고 AHSS 시뮬레이션과 현실 사이의 상관관계가 매우 낮아질 수 있습니다.

따라서 블랭크 홀더와 패드의 힘이 충분한지 면밀히 점검하십시오. 일부 시뮬레이션 소프트웨어에서는 공구가 열리는 동안 AHSS 시트의 반동력을 감지하는 방법이 있습니다. 몇몇 소프트웨어에서는 공구를 닫은 상태로 유지하기 위해 블랭크 홀더에 조용히 힘을 추가하지만, 사용하고 있는 시뮬레이션 소프트웨어에서 이러한 일이 발생하는지 여부를 확인하는 것이 매우 중요합니다.

10. 비선형 변형을 고려합니다

비선형 변형을 고려하는 것이 중요합니다, 그 이유는 성형 한계 곡선은 선형 변형 경로용으로 개발되었기 때문입니다 - 이는 성형은 결함이 발생할 때까지 오직 한 방향으로만 이뤄진다는 것을 의미합니다.

이는 예를 들어 다단계 성형 공구로 AHSS 부품의 한 영역을 성형 및 재성형할 때 FLC와 유사하지 않은 상황이 발생한다는 것을 의미합니다. 또한 실제로, 변형 경로에 따라 결과가 더 좋거나 더 악화될 수 있습니다.

일부 시뮬레이션 소프트웨어는 비선형 변형을 고려할 수 있습니다. 예를 들어, AutoForm에는 비선형 성형 다이어그램이 있어 비선형 변형을 계산 및 변환하고 이를 FLD에 매핑합니다. 이는 다단계 성형을 사용할 때 뿐만 아니라 때로는 다음 예시와 같이 성형이 하나의 단계로 진행될 때에도 매우 유용할 수 있습니다.

왼쪽의 이미지는 AHSS 부품(이 경우에는 Docol^® 1000DP로 제작)에 표시된 전형적인 FLD를 나타내며, 한 부분에 나타나는 붉은 색은 변형이 성형 한계치보다 높다는 것을 뜻합니다. 그러나 오른쪽의 이미지는 비선형(변환) 결과이며, 이 결과는 부품이 실제로 정상임을 보여 줍니다.