유한요소해석 기반 유도 전동기의 실시간 시뮬레이션 모델 개발

이준희 서울대학교 대학원 2021 국내박사

Induction machine has been widely used in industrial drive, due to its simple structure, high reliability, and rigidity. In recent years, its application expands to electric vehicles and servos with the development of inverters and control technologies. In this regard, the induction machine's output characteristic is closely related to the control algorithm because the inverter and the vector control mostly drive the machine used for this purpose. Therefore, in the motor's design process based on finite element analysis (FEA), it is necessary to consider the control algorithm and its performance. However, it is not easy to test the controller directly with FEA because of the long computational time. In this thesis, a new simulation model of an induction machine based on the FEA is proposed considering magnetic saturation, saliency, and spatial harmonics. Firstly, magnetostatic FEA was conducted in various current operating points, and flux linkage and torque were obtained. A flux map-based model was then introduced, which is fast and numerically stable without differential operation. Also, it has less burden on memory. To implement the proposed flux-based model, an inverse relation of current-flux is required. Finding the inverse relation of current-flux is equivalent to solve the inverse of a 4-dimensional vector function. Therefore, the existence of the inverse relation was proved, and it is implemented through the whitening transform and the artificial neural network. At learning the neural network, the accuracy was considered with the highest priority, and various learning methods were compared and chosen to reduce the learning time. Through the proposed model, various control algorithms can be tested fastly without conducting the FEA repetitively. Meanwhile, the rotor bar's skin effect should be considered, which affects the bar's current density distribution. Thus, the magneto-transient FEA was conducted to analyze the variation of resistance and the rotor bar's inductance. The analysis confirms that the rotor bar's skin effect has a different aspect than the general round conductor because of its unique shape for the deep bar effect. Also, the increase of resistance was affected by the frequency and the saturation of the magnetic core. Therefore, an analysis method was proposed, which can consider the induction motor's saturation level in the vector control situation, and the flux-based simulation model was modified with the analysis. The validity of the proposed simulation model was verified with two different induction machines. The simulation models of the two machines were implemented and compared with FEA and the experimental results. First of all, the no-load test was conducted in the model, FEA, and the experiment. The input voltage varies in the wide range, and it is confirmed that the model shows the magnetic saturation well by comparing the results. Then, the vector control was applied to the model and the experiment, and the results were compared. In the current control, the effect of spatial harmonics appears in heavy load conditions even if the rotor is skewed, and it is shown both in the model and the experiment. Also, the current trajectory in flux weakening control and the model's output torque characteristics are very similar to those of the experiment. At last, it is confirmed that the modified model considering the skin effect represents the saturation induced saliency in dynamic inductances well. 간단한 구조, 높은 신뢰성과 견고함을 가지는 유도 전동기는 산업계 전반에 걸쳐 널리 사용되어 왔으며, 인버터와 제어 기술의 발달과 함께 최근에는 전기 자동차와 서보(servo) 등으로 그 적용 범위를 넓혀가고 있다. 이러한 목적으로 사용되는 유도 전동기는 기존의 산업용 전동기와 달리 인버터 및 벡터 제어를 통해 구동되므로, 제어 특성이 전동기의 출력 특성과 밀접한 관련이 있다. 따라서 유한요소해석을 이용한 설계 단계에서부터 제어를 고려하고 시뮬레이션 해봄으로써 그 결과를 설계 과정에 반영할 필요가 있다. 하지만, 유한요소해석과 제어를 직접 연계하여 시뮬레이션하는 것은 계산 및 소요시간의 부담으로 인하여 쉽지 않다. 본 논문에서는 유한요소해석을 토대로 유도 전동기의 자기 포화, 돌극성, 공간 고조파를 고려하여 제어기를 빠르게 시뮬레이션할 수 있는 모델을 제안하고 이를 구현하였다. 이를 위해 우선적으로 다양한 전류 운전점에 대하여 정적 자계 유한요소해석을 수행하고 그 결과로 자속 및 토크를 얻었다. 이로부터 시뮬레이션 모델을 구현할 수 있는 방법들 중 미분 계산을 피하며 메모리에 부담을 덜 수 있고 속도가 빠른 자속맵 기반의 모델을 소개하고 이를 구현하는 방법을 제시하였다. 구현에 있어서는 먼저 자속맵 기반의 모델에 필수적인 전류–자속의 역관계의 존재성을 살펴보고 구현을 위해 필요한 데이터 처리 기법인 화이트닝 선형변환을 적용하였다. 또한 전류-자속의 관계인 4차원 벡터함수의 역함수를 구하기 위해 인공신경망을 도입하였다. 인공신경망 학습 시에는 정확성을 최우선 순위로 고려하였고, 학습 속도를 높이기 위한 다양한 학습 방법들을 비교하고 선택하였다. 이를 통해 제안된 자속맵 기반 시뮬레이션 모델은 유한요소해석에 비해 계산 시간이 훨씬 적으면서, 빠르게 다양한 제어기들을 유도 전동기와 연결하여 시험해볼 수 있다. 한편, 유도 전동기의 고정자 권선과 달리 회전자 권선은 바(bar)의 형태를 띄므로 주파수에 따라 전류 밀도의 분포가 변하는 표피효과가 고려되어야 한다. 따라서 이를 위해 과도 자계 해석을 수행하고 표피효과로 인한 회전자 바의 저항 및 인덕턴스 변화에 대해 분석하였다. 이러한 분석에서는 심구효과(deep bar)를 위해 독특한 형상을 지니는 회전자 바에서 나타나는 표피효과가 일반적인 모양의 도선에서 나타나는 것과는 다른 양상을 보이며, 표피효과에 의한 저항의 증가가 주파수 뿐만 아니라 도체 주변 코어의 포화도에 따라 달라지는 것을 확인하였다. 이를 토대로 유도 전동기의 벡터 제어 상황 하에서 회전자 바에 나타나는 표피효과를 분석하는 방법을 제안하고 이 결과를 시뮬레이션 모델에 반영하였다. 이를 통해 제안된 시뮬레이션 모델은 주파수에 따라 달라지는 회전자 저항과 인덕턴스 특성을 근사적으로 표현할 수 있다. 제안된 시뮬레이션 모델의 타당성은 다양한 조건에서 서로 다른 두 전동기의 유한요소해석 및 실험을 통해 검증되었다. 우선적으로 무부하 테스트를 통해 자기 포화 특성을 과도 자계 유한요소해석 및 실험 결과와 비교하였다. 다음으로 제안 모델과 실험에서 벡터 제어를 적용하고 그 특성을 비교하였다. 전류 제어 시에는 특히 고부하시에 자기 포화와 함께 나타나는 공간 고조파의 영향이 실험 결과와 거의 동일하게 나타나는 것을 확인하였다. 더불어 약자속 운전 특성 및 출력 토크 특성 또한 상당한 유사성을 보였다. 마지막으로 표피 효과를 고려한 모델을 통해서 회전자 동특성 및 고주파 인덕턴스에서 나타나는 돌극성이 표현되는 것을 확인하였다.

유한요소법을 이용한 와이어 방전가공기의 구조해석 및 설계검증

김주원 서강대학교 대학원 1999 국내석사

최근 산업의 급속한 발달과 더불어 다양한 재료의 복잡한 초정밀 형상 가공에 대한 요구가 증가하고 있기 때문에 가공 정밀도가 뛰어난 방전 가공의 필요성이 높아지고 있다. 정밀한 방전가공을 위해서는 먼저 여러 가지 운전상태에 따른 구조물의 변형을 예측하고, 온도변화에 따른 정밀성 저하를 구조물의 고강성화를 통하여 방지하여야 한다. 이를 배경으로, 본 논문에서는 와이어 방전가공기의 구조적 변형특성을 이해하기 위한 유한요소해석을 수행하였다. 이를 위해 다른 구조를 가진 두 종류의 방전가공기를 선정하였다. 먼저 유한요소모델을 구성하기 위하여 3차원 CAD package I-DEAS를 이용하였으며, 이어 상용 유한요소해석코드인 ABAQUS로 구조해석을 수행하였다. 구조물의 자중 및 온도변화 그리고 와이어 구동부의 하중을 고려하여 와이어 구동부의 변형양상 및 상대변위를 구하였다. 이 과정에서 유한요소해석 모델의 유효성과 유한요소해의 적합성을 η-factor를 통하여 검증하였으며, 두 모델의 구조적 특성차이가 상대변위와 가공정밀도에 적지 않은 영향을 미치는 사실을 확인하였다. 이를 토대로 몇 가지 유용한 방전가공기의 구조적 개선방향을 제시하였다. Recent industrial requirements for highly precise shape processing of diverse materials have brought the high precision electric discharge machining (EDM) in great need. For high precision electric discharge machining, structural deformation at various operating conditions should be first estimated and precision loss due to temperature-induced thermal deformation should be suppressed with high stiff frame. On this background, this work studies structural deformation characteristics of wire cut EDM through finite element analysis. Two different wire cut EDMs are selected as analysis models. To construct finite element models of wire cut EDMs, 3D CAD package I-Deal is first used, and commercial finite element analysis code ABAQUS is successively used for following structural analysis. Weight of body and temperature variation, load of wire-feeder are considered to obtain deformations and corresponding displacement errors between two wire end points. Based on η -factor, the validity of finite element solution is confirmed, and the structural difference between two models are demonstrated to have a considerable effect on displacement error and performance accuracy of EDM. Finally some useful design enhancements are suggested in structural point of view.

유한요소법 이용 전자기 수치해석의 흡수경계조건별 성능 분석

조민철 인천대학교 대학원 2024 국내석사

최근 전기/전자기기의 역할이 늘어나고 있으며, 제품의 성능향상과 최적화를 위해서는 전자기 시뮬레이션 과정이 필수적으로 필요하다. 전자기 수치해석 기법 의 하나인 유한요소법은 미분 방정식을 기반으로, 해석 영역을 미소한 요소로 나 누어 해석하는 기법으로 불균질한 매질과 복잡한 구조 해석에 있어 강점이 있다. 전자기 수치해석에 있어, 유한요소법을 적용하기 위해서는 계산영역을 한정시 키는 흡수경계조건을 적용해야 한다. 이러한 흡수경계조건은 전파의 비물리적 반 사를 최소화하고, 무한 영역의 전파를 모사하는 역할을 하며 1차 흡수 경계조건, 도파관 포트 경계조건, UPML 등과 같은 종류가 존재한다. 본 논문에서는 여러 흡수경계조건을 적용한 100% in-house FEM code를 통해 다양한 전자기 문제에 대한 수치해석을 수행하였다. 그리고 후처리 과정을 통해 정전용량, 인덕턴스, 저항 행렬과 레이다 반사 면적과 같은 parameter를 계산하였 으며, 이를 대표적인 전자기 상용 소프트웨어 Q3D, HFSS의 결과와 비교하여 직 접 작성한 프로그램의 유효성을 검증하였다. 아울러, 흡수경계조건 적용 위치에 따른 흡수경계조건별 성능 분석 시뮬레이션을 수행하였다. 더불어, 3차원 전자기산란 예제에 대해 CUDA를 이용한 GPU 병렬 프로그램을 직접 작성하여 해석속도를 가속화 하였다. Recently, the role of electrical and electronic devices is increasing, and computational electromagnetics is essential for improving the performance and optimization of products. The finite element method, one of the numerical methods in electromagnetics, is based on differential equation and involves dividing the computational domain into small elements for the analysis. It is advantageous for modeling complex structures and deling with inhomogeneous materials. To apply finite element method for electromagnetic numerical analysis, absorbing boundary conditions that truncate the computational domain are required. These absorbing boundary conditions serve to minimize unphysical reflections of electromagnetic waves and imitate infinite domain propagation. In this thesis, numerical analysis for various electromagnetic problems were conducted using finite element method and several absorbing boundary conditions. Subsequently, a post-processing process of obtaining the capacitance, resistance, inductance matrix, and radar cross section was performed. Furthermore, performance analysis of absorbing boundary conditions was carried out. The code’s accuracy was confirmed via comparison with commercial electromagnetic simulation software such as HFSS, Q3D. In addition, for the 3-D electromagnetic scattering example a GPU parallel program was developed using CUDA to accelerate the analysis speed.

F.E.M 해석을 통한 대형 선박블록 LIFTING작업 시 DECK, LONGI SIZE에 따른 응력분석 및 설계기준

김우현 경상대학교 대학원 2013 국내석사

During assembling the ship block process, the block lifting and turn-over events are not only inevitable but also very important for safety and block accuracy. In this study, the stress of the upper deck is calculated during side shell block lifting and turn-over events by using F.E.M. And we will predict the stress through non-linear function which is calculated by poly-nominal curve Fitting.

R/C 건축물에 대한 비선형 동적유한요소해석법 타당성 평가에 관한 연구

정호영 한양대학교 대학원 2024 국내석사

최근 세계적으로 2023년 2월 튀르키예에서 발생한 대규모 지진을 포함한 규모(M) 6.0 이상의 지진 발생 빈도가 계속 증가하는 추세이며, 매년 100건 이상 빈발하고 있다. 한국에서도 2016년 경주 및 2017년 포항지진으로 비내진 상세를 가지는 학교 시설과 필로티 건물 및 공동주택 등에 직접적인 지진 피해가 발생했다. 특히, 내진설계가 되지 않은 철근콘크리트 (이하 R/C) 부재의 전단파괴는 기존 R/C 건축물의 내진 안전성에 대한 경각심을 나타내었다. 내진성능평가를 비롯한 내진대책을 통한 구조물 안전성 확보의 중요성이 부각됨에 따라 국내에서도 R/C 건축물의 구조 특성을 고려한 실험 및 동적해석적 분석 기반 내진성능평가에 대한 연구가 다수 진행되고 있다. 그러나, 지진 등으로 인한 구조물의 피해 정도와 부재의 내력을 실험적으로 추정하는 것에는 많은 한계가 있다. 실험적 연구는 R/C 구조물의 비균질한 재료 특성으로 인해 제작과 실험결과에 대한 불확실성을 내포하고 있으며, 많은 시간과 비용이 소요된다는 단점이 있으며, 또한 재료, 하중, 구속 등 다양한 조건에 대한 검토가 어렵다. 한편 국내의 대부분의 동적해석 연구는 부재의 선재 치환을 통한 해석에 기반을 두고 있으며, 선재 치환 동적해석은 부재 모델의 단순화로 인해 구조물의 미세한 파괴 형상, 균열 등 부재의 상세 분석에는 한계가 있다. 따라서 보다 정밀한 동적해석적 연구의 중요성이 커지고 있으며, 부재 요소 단위의 안전성 검토 수단으로써 지진파를 고려한 유한요소 기반의 비선형 동적해석에 관한 연구가 필요한 실정이다. 이에 본 연구에서는 비선형 동적유한요소해석법에 기반하여 기둥 및 골조를 포함한 R/C 구조물의 실물 크기의 구조 실험을 통해 내진성능을 평가하였다. 유한요소해석에서는 범용 프로그램인 VecTor2를 활용하여, 하중-변위 곡선, 시간 이력 곡선, 철근 변형률 등의 정적 및 유사동적실험 결과와의 비교를 통해 구조물의 재료 및 구조적 특성을 고려한 유한요소해석 모델의 구축과 함께 지진 하중을 고려한 비선형 동적유한요소해석의 타당성을 검증하였다.

3차원 유한요소법에 의한 Can Stack형 PM 스텝모터의 자장해석

이준호 檀國大學校 大學院 1994 국내석사

유한요소법을 사용하여 모터를 해석할 경우, 종래에는 주로 2차원 유한요소법을 적용하였으며 이는 모델이 어느 한 방향으로 무한한 길이를 갖는 다는 가정이 필요하게 된다. 본 논문에서 해석하고자 모델은 FDD 헤드 구동용으로 사용되는 can stack형 PM 스텝모터로서 그 구조가 작고 복잡하므로 3차원 유한 요소기법을 적용하여 해석하였다. 본 논문의 모델은 시간에 대한 전류의 변화가 없는 것으로 보아 정자장 문제로 다루었다. 해석 변수로는 자기벡터포텐셜을 사용하였으며 유한요소 정식화에는 Galerkin법을 사용하였다. 3차원 유한요소법의 타당성을 검증하기 위해 다음과 같이 두가지 방법을 실시하였다. 첫 번째로 2차원 유한요소법으로 해석이 가능한 2차원적 모델을 설정해서 2차원 유한요소해석 및 3차원 유한요소해석을 각각 실시하고 그 두가지 결과를 비교하였다. 두 번째로 스텝모터에서 회전자인 영구자석만 공기중에 놓았을때 영구자석 표면의 자속밀도와, 영구자석이 없는 상태에서 전류만 인가 했을때 스텝모터 공극부분의 자속밀도를 3차원 유한요소법으로 계산하고 이를 실험을 통한 측정치와 비교하였다. 실제 스텝모터의 자장은 전류에 의해 발생된 자장과 영구자석에 의해 발생된 자장을 선형적으로 더함으로써 계산이 가능하므로 스텝모터에 전류만 인가된 경우와 영구자석만 있는 경우로 나누어서 자장을 계산하였다. When a motor is analyzed by finite element method, 2 dimensional FEM which needs the assumption that the model has infinite length in one direction has been usually applied. In this paper, can stack type PM step motor which is used in FDD head driver is analyzed by 3 dimensional FEM because its structure is very small and complicate. Model to be analyzed is dealt with in static magnetic fields, since there is no variation of current and those of fields with time. To verify validity of 3D FEM, two ways are shown. First, 2 dimensional models are chosen, and magnetic fields analyzed by 2D FEM and 3D FEM are compared. Second, magnetic fields on surface of the permanent magnet which is the rotor of the step motor and magnetic field which is induced by current without permanent magnet in air gap of the step motor are calculated by 3D FEM and are compared with experimental ones. And it was found that these results of 3D FEM are in good agreement with not only those of 2D FEM but also experimental ones. Since magnetic fields of the step motor can be expressed by the sum of magnetic fields induced by current and those induced by permanent magnet, these magnetic fields are calculated separately.

강합성 생태아치구조물의 성능평가를 위한 수치해석 및 모형실험연구

김용희 상명대학교 일반대학원 2011 국내석사

최근 급속한 도시화 및 고속화된 산업발달로 인해 도로 및 철도와 같은 사회간접자본의 확충이 필연적으로 중요시되고 있다. 이에 따라 도심지역 및 우수 생태계지역이 도로 및 철도로 단절되어 주변지역에 소음, 분진, 열섬 등의 문제가 발생하며 대절토에서 발생하는 야생동물의 로드킬(Road Kill)과 산사태 등이 발생하다. 이러한 문제점을 개선하고 친환경적인 생태라인을 복원하고자 아치 혹은 라멘형식을 이용한 육교형 생태통로 또는 상부 덮개공원화 공법이 추진되고 있다. 본 연구는 개착식 대단면 강합성 아치교량 구조물을 연구대상으로 하고 있으며, 4차로 이상의 고속도로나 국도를 아치지간중간에 교각이나 기둥을 설치하지 않고 횡단하는 장경간 강-프리캐스트 콘크리트(PC)합성 아치구조물이다. 강재거더와 프리캐스트패널의 합성효과를 이용하여 30∼50m를 가지는 장대폭원의 아치구조물이 가능하며 교각을 설치하지 않으므로 운전자의 시야확보와 차량충돌사고를 예방할 수 있다. 또한 주형 및 프리캐스트 콘크리트 패널을 사전 제작하여 공사기간을 단축하고, 강재 거더가 동바리거푸집 역할을 수행하여 공사기간 중 도로교통 통제를 최소화할 수 있다. 합성아치구조 형식상 지반아칭효과(Arching effect)로 인하여 토피에 따른 재하하중의 경감으로 경제적이고 조형미가 우수하며 개방감이 양호한 장점이 있다. 본 논문에서는 연구대상구조물인 생태아치교량 개발을 위하여 다음과 같은 세부적인 연구과정을 수행하였다. 첫째, 생태아치교량을 활용한 도심지 육교형 공원의 우수한 조형미와 운전자의 심미성과 쾌적성을 확보하기 위하여 강재거더의 단면을 교체하여 단면의 조형미와 강성을 확보하는 신형식단면을 개발했다. 또한 유한요소해석을 통하여 대칭하중을 받는 신형식단면 원형아치의 기하비선형과 재료비선형이 모두 고려된 비탄성-비선형해석을 수행하여 신형식단면의 구조적 특성과 거동을 분석하고 면내좌굴강도를 평가하였다. 이에 기존의 연구결과들과 비교 신형식단면 원형아치에 적용가능한 새로운 좌굴계수를 제안하고 이를 활용한 표를 만들어 설계에 간편하게 적용할 수 있도록 제안하였다. 둘째, 강-프리캐스트 콘크리트 비합성․합성형 생태아치교량의 구조적 안전성과 성능평가를 위하여 비합성․합성아치 유한요소해석을 실시하고 해석결과를 기존연구와 비교․검토하였다. 합성형 생태아치교량의 거동특성 및 종국강도를 평가하기 위하여 모형실험체를 제작하여 정적파괴실험을 실시하여 이 결과를 유한요소해석결과와 비교․분석하여 실제 생태아치교량의 시공과 적용에서 발생할 수 있는 극한의 상황을 평가해보았다.

확장유한요소를 이용한 철근콘크리트 수평 부재의 균열 해석

김건형 건국대학교 대학원 2017 국내석사

본 연구에서는 재료의 균열 거동과 균열 가시화가 가능한 확장유한요소법(extended finite element method)을 이용하여 철근 콘크리트 수평 부재의 거동을 분석하였다. 철근과 콘크리트의 복합 거동을 나타내면서 콘크리트 재료에서 발생하는 균열의 진전, 파괴 거동 등을 예측하는 과정을 연구하였고, 해석 결과를 실제 실험 사례와 비교하여 확장유한요소법의 타당성을 검증하였다. 먼저, 3차원 확장유한요소의 타당성과 유효성을 검증하기 위해 2차원 평면 요소와 3차원 입체 요소를 사용한 모델 결과를 비교하였다. 각 요소들로 모델링된 단순 지지 철근 콘크리트 보의 거동을 실제 실험과 비교하였으며, 균열 거동과 균열 양상을 분석하였다. 이 과정에서 확장 자유도 잠김 현상(enriched DOF locking)을 관측하였고, 이를 해결하기 위해 발생 원인과 이를 해결할 수 있는 모델링 상의 기술적 해결방안을 제시하였다. 다음으로 3차원 입체 요소를 이용하여 철근 콘크리트 슬래브의 균열 거동을 분석하였다. 해당 모델링의 타당성을 확인하기 위해 동일한 조건에서 콘크리트 손상-소성(concrete damaged plasticity) 재료 모델을 적용한 결과를 비교하였다. 이후 실제 철근 콘크리트 슬래브의 실험 결과를 비교하여 3차원 확장유한요소의 유효성과 적용 범위를 확인하였다. In this study, the behavior of reinforced concrete lateral members was analyzed using the extended finite element method(XFEM). In addition to considering the composite behavior of reinforcement and concrete, the process of crack propagation and fracture behavior of concrete is studied. First, the model results of the 2D plane element and the 3D solid element were analyzed using a simple supported RC beam as a comparative model. It confirmed the validity of use of 3D XFEM model. In this process, enriched DOF locking occurred. The cause of this phenomenon was analyzed and a method to prevent it was suggested. Subsequently, the reinforced concrete slabs modeled by 3D XFEM is analysed. The results are compared with the experimental results and the finite element model using concrete damaged plasticity model under the same conditions. This material model can represent realistic post-failure behavior of concrete. As a result, the 3D XFEM can consider the crack behavior, predict the ultimate resistance performance, and clearly visualize the crack pattern.

유한요소법을 이용한 열간성형에서의 미세조직 예측 및 제어

이상주 弘益大學校 大學院 2003 국내석사

재료의 미세조직과 기계적, 물리적 성질과는 매우 밀접한 관계가 있으며 재료의 미세조직을 제어함으로써 원하는 특성을 가진 재료를 생산하고자 하는 노력들이 현재 여러 분야에서 진행되고 있다. 특히 재료의 미세조직 제어를 통하여 인장강도와 피로강도 그리고 인성과 같은 기계적 성질을 향상시키고자 하는 노력은 비교적 오래 전부터 진행되어왔으며, 현재까지 강재의 조성을 변화시키지 않고 강도와 인성을 동시에 향상시키는 방법으로는 오스테나이트 결정립의 제어를 통한 페라이트 결정립의 미세화가 가장 적합한 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 오스테나이트 결정립 미세화를 통한 강제의 기계적 성질 향상을 위하여 열간압연과 열간단조시 발생하는 재료의 재결정 거동을 모델링하고, 열간성형 공정을 유한요소해석 기법을 사용하여 해석하였다. 이러한 수치적 모델링과 유한요소해석 결과의 연계 기법은 온도, 변형률, 변형률 속도, 재료의 조성, 초기 결정립도 등의 성형 조건이 주어지면 변형기에서 동적재결정 예측 시스템에 의해 임계변형률과 결정립도의 변화가 계산된다. 변형 후 비변형기에서는 정적 또는 준동적 재결정 예측 시스템에 의해 결정립도의 변화와 잔류변형률을 계산한다. 예측된 결정립도는 다음 변형기에서의 초기 결정립도로 주어지며, 잔류변형률은 누적변형률로 축적된다. 이러한 재결정 예측 시스템의 검증을 위하여 Gleeble 1500을 이용하여 열간압축 실험을 실시하여 비교해보았다. 열간압연 공정의 연구에서는 세 가지 압연 스케쥴을 작성하여 후판 압연 공정에서의 결정립도 변화를 예측하고 제어하여 보았다. 첫 번째 스케쥴은 1020℃로 재가열하고 최대한 높은 압하량을 주어 총 패스 수와 가공시간을 줄이는 것을 목표로 하였다. 최종 패스 완료 후 결정립도는 평균 20㎛ 정도로 예측되었다. 이 스케쥴은 높은 압하율로 인하여 변형열이 크게 발생했으며 최종 패스에서의 온도편차는 70℃ 두께방향 결정립도 편차는 ll㎛정도로 크게 나타났다. 두 번째 스케쥴은 일반적으로 적용되는 1200℃의 압연온도를 사용하고 압하량을 분산시켜 변형열에 의한 온도편차 효과를 적게 하고자 하였다. 총 19패스 중 1번의 잔류변형률 누적에 의한 동적 재결정이 발생하였으며, 최종패스 완료 후 결정립도는 평균 34㎛로 조대하였으나 두께방향 온도 편차는 10℃, 결정립도 편차는 6㎛로 예측되었다. 세 번째 스케쥴은 압연 시작 온도를 1050℃로 낮추고 마무리 압연이 900℃이하에서 이루어지도록 설계하였다. 마무리 압연에서 변형률의 누적을 최대한 많이 발생시켜 결정립도 미세화 및 두께 방향 결정립도 편차의 최소화에 중점을 두었다. 총 19패스 중 3번의 동적 및 준동적 재결정이 발생하였으며, 이로 인하여 최종 패스 후 결정립도는 평균 13㎛, 두께방향 온도편차는 5℃, 결정립도 편차는 2㎛로 예측되었다. 이와 같은 스케쥴들을 실험에 의하여 검증해 보았으며, 잔류변형률 누적에 의한 동적 재결정의 발생이 결정립 미세화와 두께방향 결정립도 편차를 줄이는데 유용하다는 결론을 얻었다. 열간단조 공정의 연구에서는 자동차 샤시(Chassis)계 로워암 커넥터(Lower Arm Connector) 단조 공정에 대한 유한요소해석을 수행하여 단조공정상에 발생되는 문제점과 육안으로 확인 할 수 없는 취약 부위별 내부 변형률, 변형률 속도, 온도 분포 등의 분석을 실시하였다. 또한 열간압축 실험과 수치적 모델링을 통하여 S45C 강의 동적재결정 거동을 예측하였다. 로워암 커넥터 열간단조 공정은 소재가열(I/H), 체적분배를 위한 롤, 버스터, 블로커 및 피니셔 작업으로 구성되어 있다. 이를 유한요소해석하기 위하여 먼저 S45C 강의 유동응력 측정을 수행하였으며, 변형열의 영향을 고려한 유동응력 곡선을 구하여 입력 값으로 사용하였다. 각 공정별로 유한요소해석을 수행하였으며, 피니셔 공정이 끝난 후에는 취약 부위라 사료되는 단면 A, B, C를 선택하여 각 단면상의 3점에 대하여 온도, 변형률, 변형률 속도의 시간에 대한 변화를 알아보았다. 또한 S45C 강의 peak strain, 동적재결정 결정립도, 동적재결정 분율 식을 실험과 수치해석을 이용하여 도출하였으며, 유한요소해석 결과와 연계하여 각 부위별 미세조직의 변화를 예측하였다. 단면 A, B, C의 9개 부위에 대하여 단조모사 실험 후 수냉한 시편들의 평균 오스테나이트 결정립 크기는 33.2㎛였으며, 예측된 결과의 평균 결정립크기는 33.6㎛이었고, 각 부위별 평균 오차는 2.5㎛로 약 7.7% 정도의 차이를 나타내었다. 이로 인하여 본 연구에서 시도한 연계방법의 타당성이 입증되었으나, 향후 정확성을 더욱 향상시키기 위해서는 해석기술과 미세조직 예측 모델의 발전에 지속적인 노력이 필요하겠다. There exists a close relationship between the mechanical, physical properties and the microstructure of a material. With this idea in hand, many efforts are currently in progress to produce materials with desired properties by manipulating the microstructure. Engineers have continuously strived to enhance mechanical properties such as tensile strength, fatigue strength and toughness by such manipulations. Nowadays, without altering the chemical composition, the strength and toughness of steel can be enhanced by refining ferrite grain through the manipulation of austenite grain. In this study, to improve the mechanical properties by refining austenite grain, a model of the recrystallization behavior of a material during hot rolling and hot forging has been developed and the hot deformation process has been analyzed by the finite element method. During the deformation time, by combining the results acquired by the numerical model and FEM, the critical strain and grain size can be obtained by the dynamic recrystallization prediction system given the deformation condition such as temperature, strain ,strain rate, composition of the material and initial grain size. During the interpass time which follows the deformation, the change in grain size and retained strain is calculated through static and meta-dynamic recrystallization prediction system. The predicted grain size provides the initial grain size for the subsequent deformation time and the total retained strain is added up to achieve the accumulated strain. To verify the feasibility of this recrystallization prediction system, a hot rolling experiment has been conducted by utilizing the Gleeble 1500 method and thus compared. In the hot rolling process research, the change in grain size has been predicted and controlled during three schedules of a thick rolling process. In the first schedule, the objective was to reduce the total pass number and process time by reheating the material up to temperatures of 1020℃ and by applying a very high reduction. The grain size after the final pass has been predicted to be in the area of 20㎛. Intense deformation heat was causes by the intense reduction rate. As a result, after the final pass, the temperature deviation was 70℃ and the grain size deviation in the thickness direction was as high as 11㎛. In the second schedule, the temperature has been set to the standard rolling temperature of 1200℃. Also, the reduction has been dispersed in order to decrease the temperature deviation effect caused by the deformation heat. Of the total 19 passes, dynamic recrystallization has occurred once due to the accumulation of retained strain. After the final pass, the average grain size was measure to be 34㎛ which is larger than the predicted amount, but the temperature deviation and grain size deviation in the thickness direction was predicted to be 10℃ and 6㎛, respectively. In the third schedule, the initial rolling temperature was lowered to 1050℃ and the final to 900℃. The aim of the third schedule was to refine the grain size and minimize the grain size deviation in the thickness direction by maximizing the accumulation of strain during the final rolling. Of the total 19 passes, dynamic and meta-dynamic recrystallization has occurred three times due to the accumulation of retained strain. As a result, after the final pass the average grain size, temperature deviation in the thickness direction, and the grain size deviation has been predicted to be 13㎛, 5℃, and 20㎛ respectively. The schedules mentioned above has been verified through experiments, and it has been concluded that dynamic recrystallization due to the accumulation of retained strain can be effective in refining the grain size and reducing the grain size deviation in the thickness direction. In the hot forging process research, a FEM analysis of the automobile lower arm connector forging process has been performed for the purpose of pointing out the problems accompanying the forging process and analyzing the strain, strain rate, and temperature distribution of critical regions. Also, the dynamic recrystallization behavior of S45C steel has been predicted through heat 압축 experiments and numerical modeling. The manufacturing process of the lower arm connector forging is in the order of I/H, rolling for volume distribution, buster, blocker and finisher. The flow stress of the S45C steel has been measured for the FEM analysis, and a deformation heat compensated flow stress curve has been used as the input value. Each individual process has been analyzed via FEM. After the finisher process, the rate of change in temperature, strain, and strain rate is measured from 3 points on each cross sections A, B, and C representing the most weak regions. Futhermore, the peak strain, the dynamic recrystallization grain size, and the dynamic recrystallization fraction equation has been obtained by experiment and numerical analysis, these results combined with the FEM results can be used to predict the alteration of microstructure in each region. The average austenite grain size has been measured to be 33.2㎛, while the predicted average grain size was 33.6㎛. The average difference between the measured and the predicted was 2.5, about 7.7% error. As a result, the feasibility of the combination method conduct in this study is verified. Furthermore, efforts in improving analyzing methods and microstructure prediction must be made to enhance the precision of this research.

유한요소해석에 의한 지압보강재 유효단면 산정

박설아 명지대학교 대학원 2010 국내석사

The effective section for bearing stiffeners at an interior pier of continuous steel girder is investigated by applying the finite element analysis. The plate girder and box girder with several different spans are considered. The bearing stiffeners are designed by the AASHTO LRFD provisions in which the stiffeners are considered as axial compression members. The designed sections are found to reach close to the yield strength because of the extremely small values of member slenderness. In the finite element analysis, the steel girders are modeled three-dimensionally in which the elements of steel girders including flanges, web, and stiffeners are modeled as thin shell elements of S4R in ABAQUS. The effective width of web plate over a bearing support is approximated by observing the distribution of axial compressive stress obtained by the linear finite element analysis. The yield strength of the bearing section is estimated by the linear interpolation of the average axial stress of stiffener to the yield stress. The ultimate strength of bearing stiffener is also calculated by applying the nonlinear finite element method in which the steel is assumed to be an elasto-plastic-strain hardening material. The effective section and the axial resistance of bearing stiffeners obtained by the present finite element approach are compared with those by current code provisions. The bias factor which indicates the ratio of an actual strength to the nominal strength by code provisions is also evaluated. Based on the observations made in this study, an effective width of the web plate of a box girder, supported by two bearings on both webs, is proposed. 연속교 강박스거더의 내측지점부 지압보강재 유효단면은 유한요소해석에 의해 산정하였다. 플레이트 걷돠 박스거더는 각각 다른 경간을 고려하였다. 지점부보강재는 AASHTO LRFD법의 압축부재 설계규정에 따라 설계하였다. 설계된 단면은 세장비가 아주 작게 계산되어 항복강도에 도달하는 것으로 나타났다. 유한요소해석은 플랜지, 복부판 및 보강재로 구성된 강거더 단면을 3차원으로 모델링하였다. 지점부 보강재의 유효폭은 선형해석으로 얻은 축방향 압축응력으로부터 산정하였다. 지압보강재와 복부판으로 구성된 내측지점부 압축극한강도는 강재를 탄-소성-변형경화 모델로 가정하여 비선형 유한요소해석으로 구하였다. 지점부보강재의 유효단면과 압축저항강도는 기존 설계규정과 유한요소해석에 의한 결과를 비교하였다. 설계규정에 의한 압축강도와 해석에 의한 압축강도를 편심계수를 통해 평가하였다. 아울러, 복부판 양측에서 베어링 두 개로 지지된 박스거더에 대해 지압보강재 유효단면을 선형 및 비선형 ABAQUS 유한요소해석 결과의 분석을 통하여 제안하였다.