피닝잔류응력 평가를 위한 3차원 다중충돌 유한요소모델 및 실험적 검증
- 발행기관 서강대학교 대학원
- 지도교수 이형일
- 발행년도 2008
- 학위수여년월 2008. 8
- 학위명 박사
- 학과 및 전공 기계공학과
- 식별자(기타) 000000108420
- 본문언어 한국어
목차
본 논문에서는 다중충돌 숏피닝시의 잔류응력 평가를 위한 3-D 유한요소해석모델을 제안한다. 크게 세 분류로 구분되며, 아래와 같다.
우선, 2차원 단일숏 충돌 유한요소해석 모델을 통해 재료감쇄 계수, 동적 마찰계수, 탄-소성 숏볼 등의 물리적 인자들과 숏볼의 투사속도 및 투사각, 직경 등의 운동학적 인자들의 영향을 살펴본다. 2-D 축대칭요소로 단일충돌 유한요소 해석모델을 구성한다. 또한 숏볼의 변형을 추가로 고려한다. 숏볼 변형을 무시한 강체숏 (RS), 탄성만 고려된 탄성숏 (EDS) 및 소성을 고려한 소성숏 (PDS) 해석모델들에 대한 해석을 수행한다. 그리고 이 해석모델들에 의해 얻어진 유한요소해와 X-선 회절 (XRD)에 의한 실험해를 비교한다. 이때 통합된 인자가 반영된 유한요소해석 모델은 표면 및 최대압축잔류응력, 변형깊이 등에서 수렴, 단일화된 응력분포를 나타낸다. 또한 소성숏 해석모델은 강체숏 및 탄성숏 모델들과 비교했을 때, XRD에 의한 실험해에 매우 근접한 잔류응력해를 준다. 이로부터 조합된 피닝인자들과 소성숏이 사용된 유한요소모델의 유효성을 입증하였다.
이어 2차원 단일숏 충돌 유한요소해석에서 결정된 통합된 인자들을 3차원대칭-셀에 채택하여 유한요소 피닝커버리지, 충돌순서 의존성, 주기반복성 등을 조사한다. 이때 유한요소 잔류응력해는 대칭-셀 해석 모델의 네 충돌 절점들에서 얻어진다. 강체, 탄성숏 모델해들에 비해 소성숏 모델해가 양축등가응력으로의 수렴성에서 우수하였고, XRD 실험해에 좀더 근접했다. 이로부터 통합된 피닝인자와 소성숏으로 구성된 3-D 유한요소해석 모델은 성공적으로 다중충돌 피닝에 의한 양축등가 잔류응력해를 제공함을 확인하였다.
통상 XRD 실험해는 X-선 조사부에서 면적평균 잔류응력값을 준다. 이를 고려해, 대칭-셀 각 깊이에 해당하는 단면들에서 그 단면을 구성하는 전체 절점들에서의 면적-평균 잔류응력해를 살펴보았다. 그리고 이를 4절점-평균 잔류응력해와 비교하였다. 면적-평균 잔류응력해는 4절점-평균 잔류응력해 보다 실험해에 가장 근접한다.
이와 같이 물리 및 운동학적 인자들의 통합, 소성숏 해석모델, 면적-평균 잔류응력해를 통하여 숏피닝 잔류응력 위한 유한요소해석 모델의 유효성을 확인하였다.
목차
In this paper, we propose a 3-D finite element (FE) symmetry-cell model for evaluation of residual stress in multi-impact shot peening. The present work composes of three main parts as follows;
First, we examine physical factors such as material damping coefficient, dynamic friction coefficient, elasto-plastic shot and kinematical peening factors such as impact velocity, impact angle, shot diameter via 2-D FE single impact model. The single impact FE model consists of 2-D axisymmetric elements. Deformation of shot ball is additionally considered in this work. We study on rigid shot (RS) without deformation, elastic shot (EDS) and plastic shot (PDS) with deformation. We compare FE solution from the shot models with experimental solutions by X-ray diffraction (XRD). The FE model with combined factors showed converged and unique distributions of surface stress, maximum compressive residual stress and deformation depth. Further, in contrast to the FE models with RS, EDS and PDS produces residual stresses close to experimental solutions by XRD. We therefore validated the 2D FE model with combined peeing factors and plastic deformable shot.
Secondly, combining factors determined from the 2-D single shot impact FE analyses to 3-D FE symmetry-cell model, we then investigate the FE peening coverage, dependency of impact sequence and effect of cycle repetition. The FE residual stress solutions are extracted at four impact nodes of symmetry-cell model. In contrast to RS and EDS, the FE solution of PDS is superior in equi-biaxial convergency and closer to the XRD experimental solution. We thus, confirmed that the 3-D FE model with combined peening factor and plastic shot can successfully provide the FE solution for equi-biaxial residual stress in multi-impact shot peening.
Finally, XRD solution generally gives the value of area averaged residual stress at X-ray irradiated region. Considering this, we take an average of residual stresses at all-nodes forming the cross-sections at each depth. We also take an average of residual stresses at the 4-nodes of symmetry-cell. Contrary to 4-nodes averaged solution, full-nodes averaged solution is quite close to experimental solution. Especially, plastic shot model gives much better solution.
From this, we achieved the convergency to equi-biaxial stress state by considering FE peening coverage, multi-impact sequence and repeated cycles. All-nodes averaged solution is quite close to the experimental XRD solution.
