전위 펀치 영역 모델링에 의한 입자 강화 금속지지 복합재의 입자 크기 의존 파손 해석

서영성(Yeong Sung Suh) 대한기계학회 2014 大韓機械學會論文集A Vol.38 No.3

입자강화 금속기지 복합재는 입자와 기지재간의 열팽창계수 차이와 탄소성 강성도의 차이에 따라 변형률 구배가 발생하고 이로 인한 기하적 필수 전위가 입자 주위에 형성됨에 따라 변형시 입자 크기 의존 길이 스케일에 의한 강화 효과를 가지고 있다. 본 연구에서는 유한요소법을 활용하여 복합재를 압밀 성형할 때 입자 주위에 펀칭되는 기하적 필수 전위에 의한 강도 증가를 입자 주위 영역에 부가시켜 입자 의존 길이 스케일이 복합재의 입자 경계 파손 및 기지재의 연성 파손에 미치는 영향을 살펴 보았다. 파손 거동은 입자의 크기와 체적비를 달리하고, 특히 분리 에너지와 강도 등의 경계 파손 물성값을 변화시켜가는 매개변수적 계산을 수행하여 관찰하였다. 두 개의 파손 모드는 서로 영향을 미치면서 입자 크기 의존 길이 스케일에 밀접하게 연관됨을 보였다. 즉 입자의 크기가 작은 경우에 입자의 크기가 큰 경우에 비하여 입자를 둘러싸고 있는 기하적 필수 전위가 상대적으로 더 집적됨으로 인해 입자경계와 기지재의 연성 파손에 의한 복합재의 파손 개시가 지연되고 파손이 진행되는 동안의 유동 응력 감소도 상대적으로 작은 것을 보였다. Particle-reinforced metal matrix composites exhibit a strengthening effect due to the particle size-dependent length scale that arises from the strain gradient, and thus from the geometrically necessary dislocations between the particles and matrix that result from their CTE(Coefficient of Thermal Expansion) and elastic-plastic mismatches. In this study, the influence of the size-dependent length scale on the particle-matrix interface failure and ductile failure in the matrix was examined using finite-element punch zone modeling whereby an augmented strength was assigned around the particle. The failure behavior was observed by a parametric study, while varying the interface failure properties such as the interface strength and debonding energy with different particle sizes and volume fractions. It is shown that the two failure modes (interface failure and ductile failure in the matrix) interact with each other and are closely related to the particle size-dependent length scale; in other words, the composite with the smaller particles, which is surrounded by a denser dislocation than that with the larger particles, retards the initiation and growth of the interface and matrix failures, and also leads to a smaller amount of decrease in the flow stress during failure.

경량 금속 기지 복합재와 에어 베어링을 활용한 공작기계 주축의 동적 안정성 향상 방안

배원준,김양진,김정환,조승찬,이상관 대한기계학회 2023 大韓機械學會論文集A Vol.47 No.2

An increase in the demand for high-speed and ultra-precision machining has led to the requirement of suppressing the vibration generated from a machine tool spindle. To improve the dynamic stability of a machine tool spindle by avoiding resonance, the first natural frequency of the spindle should be increased. In this study, the dynamic characteristic of a machine tool spindle was improved using the air bearing and lightweight metal matrix composite (MMC). The lightweight material was created using a liquid pressing infiltration process, and the mechanical properties of the new material were obtained. After the air bearing spindle was designed and the bearing stiffness was calculated using the design parameters, finite element analysis was performed. The superior dynamic analysis results of the MMC-applied spindle revealed that the MMC was a more suitable material than the existing material for vibration suppression of the spindle shaft. 고속 및 초정밀 가공에 대한 수요가 증가함에 따라, 산업에서 요구되는 가공 정밀도를 충족하기 위해서는 공작기계 주축에서 발생하는 진동을 억제해야 한다. 공진을 회피하여 주축의 동적 안정성을 향상시키는 방법은 주축의 1차 고유진동수를 증가시키는 것이다. 본 연구에서는 에어 베어링과 경량 금속 기지 복합재를 활용하여 공작기계 주축의 동적 안정성을 향상시켰다. 용융가압함침공정으로 경량 소재를 제작하고 기계적 물성을 획득하였다. 이후 에어 베어링 주축을 설계하고 주축 사양에 따른 베어링 강성을 계산하였으며, 이를 바탕으로 유한요소 해석을 진행하였다. 금속복합재 적용 주축의 우수한 동적 해석 결과로부터, 금속복합재가 기존 소재보다 주축 샤프트의 진동 저감에 적합한 소재임을 입증하였다.

TiC-SKH51 금속 복합재를 이용한 공작기계 주축 진동 억제에 관한 연구

배원준,김성태,김양진,이상관 한국복합재료학회 2020 Composites research Vol.33 No.5

고속 가공과 저중량 설계에 대한 수요가 증가함에 따라, 공작기계 주축의 진동 발생 가능성이 증가하고있다. 또한 초정밀 가공에서 주축의 진동은 공작물 표면 형상에 큰 영향을 끼치게 된다. 다양한 가공 공정의 가공정밀도를 향상시키기 위해, 공작기계 주축 진동 문제를 해결하여야 한다. 이 논문에서, 공작기계 주축의 진동 억제를 위해 TiC-SKH51 금속 기지 복합재가 사용되었다. TiC-SKH51 복합재의 동적 특성을 확인하기 위해 충격 망치 시험을 수행하였다. FEA의 모드 분석 결과와 충격 망치 시험 결과를 비교하여 FEA의 신뢰성을 확인한 후, 공작기계 주축 모델의 해석이 실행되었다. FEA 결과로부터 진동 발생 억제를 위해 TiC-SKH51 복합재를 적용한 공작기계 주축이 사용될 수 있음을 확인하였다. With increasing demands for high-speed machining and lightweight design of machine tools, increasing likeliness of generation of machine tool spindle vibrations has become an important issue. Spindle vibration has a significant impact on the surface finish of the workpiece in ultra-precision machining. It is necessary to resolve the machine tool spindle vibration in various machining processes to improve machining accuracy. In this paper, a TiCSKH51 metal-matrix composite was used to suppress the vibration of the machine tool spindle. To confirm the dynamic characteristic of the TiC-SKH51 composite, impact hammer tests were conducted. After verifying the reliability of a finite element analysis (FEA) by comparing the results of the impact hammer test with the modal analysis using FEA, the analysis of the machine tool spindle model was performed. The FEA results show that the TiC-SKH51 composite applied machine tool spindle can be utilized to suppress the vibration generation.

입자 강화 금속기지 복합재의 연속체 강도해석을 위한 전위 펀칭 이론의 전산적 평가

서영성(Yeong Sung Suh),김용배(Yong Bae Kim) 대한기계학회 2011 大韓機械學會論文集A Vol.35 No.3

입자 강화 복합재료는 입자의 크기가 감소할수록 그 항복강도가 증가하므로, 입자의 크기에 대한 길이 스케일을 보인다. 항복강도에 대한 이러한 길이 스케일은 복합재가 압밀된 후 냉각될 때 기지재와 입자간 열팽창계수의 상이함에 의하여 입자 주위 기지재에 펀칭되는 기하적 필수 전위가 주된 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 입자 강화 복합재의 연속체 강도해석 모델링에 사용할 수 있는 두 가지 전위 펀칭 이론들에 대하여 전산적으로 검토하였다. 즉, 입자 주위에 펀치되는 전위 영역의 크기를 계산하는 대표적인 두 가지 이론들인 Shibata 등 및 Dunand and Mortensen 이론으로부터 전위 펀치 영역의 크기를 계산하고, 이를 유한요소해석에 적용하여 복합재의 항복 강도를 예측하였으며 실험값과 정성적으로 비교하였다. 본 연구에서 입자가 매우 작은 경우, 즉, 입자의 크기가 2?m이하인 경우에 두 이론 간에 극명한 차이를 보여주었으며, Shibata 등의 정식이 정성적으로 실험값에 더 근사한 것을 확인하였다. The yield strength of particle-reinforced composites increases as the size of the particle decreases. This kind of length scale has been mainly attributed to the geometrically necessary dislocation punched around the particle as a result of the mismatch of the thermal expansion coefficients of the particle and the matrix when the composites are cooled down after consolidation. In this study, two dislocation-punching theories that can be used in continuum structural modeling are assessed numerically. The two theories, presented by Shibata et al. and Dunand and Mortensen, calculate the size of the dislocationpunched zone. The composite yield strengths predicted by finite element analysis were qualitatively compared with experimental results. When the size of the particle is less than 2μm, the patterns of the composite strength are quite different. The results obtained by Shibata et al. are in qualitatively better agreement with the experimental results.

마그네슘 금속복합재의 피로균열거동해석

김두환,박용걸,김성훈,한석규,Kim, Doo Hwan,Park, Yong Gul,Kim, Sung Hoon,Han, Suk Kyu 한국강구조학회 1997 韓國鋼構造學會 論文集 Vol.9 No.4

마그네슘 금속 복합재의 열처리 및 섬유 강화재 방향에 따른 효과를 파악하기 위하여 인장강도 및 피로해석이 연구되었다. TEM 관측에 따라 시편은 섬유 강화재와 마그네슘 복합기지 사이의 시효 열처리된 변형된 계면이다. 인장실험 결과로부터 시효 처리된 시편의 극한 인장강도는 주조상태의 시편보다 시효 처리시 화학반응에 의한 섬유 강화재-기지간의 접합강도 약화로 감소하였다. 피로균열 거동실험은 균열거동 방향이 섬유 강화재 방향과 수직인 시편과 균열거동 방향이 섬유 강화재 방향과 평행한 시편을 실험하였다. 피로균열 거동해석을 비교해보면 섬유 강화재와 하중방향이 수직인 시효처리된 시편의 경우가 주조상태의 시편보다 피로균열 거동에 더 크게 저항하였다. 반대로 섬유 강화재 방향에 평행한 주조상태의 시편은 섬유 강화재 방향에 평행한 시효처리된 시편보다 피로 균열거동에 더 크게 저항함을 알 수 있었다. The effects of heat treatment and fiber orientation on tensile strength and fatigue behavior were studied in a continuously reinforced. magnesium-based composite Following an earlier TEM investigation, specimens were thermally aged to modified the interfacial zone between the alumina fibers and the magnesium alloy matrix. From the tensile experimental results, the ultimate tensile strength of the aged specimens were lower than that of the as-fabricated due to weak fiber-matrix interfacial strength with chemical reaction during the thermal processing. The fatigue crack growth experiments were conducted with specimens having the fiber orientation normal to the crack growth direction (longitudinal) and also specimens with the fibers oriented parallel to the crack growth direction(transverse). A comparison of the fatigue crack growth behavior indicates that aged longitudinal specimens are more resistant to fatigue crack growth the as-fabricated longitudinal specimens. Conversely, as-fabricated transverse specimens are more resistant to fatigue crack growth than aged transverse specimens.

변형률구배 소성이론과 점착 경계면 파손이론에 의한 구형 입자 금속기지 복합재의 크기 효과에 관한 연구

송승(Seung Song),강민구(Min koo Kang),김창겸(Chang Kyum Kim),박문식(Moon Shik Park),서영성(Yeong Sung Suh) 대한기계학회 2011 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2011 No.10

The size effect of decohesion on the particle-matrix interface are studied for the particle-reinforced metal matrix composite via finite element method with strain gradient plasticity and cohesive interface failure. The surrounding matrix is modeled by the low-order finite elements with plastic strain gradient and Taylor dislocation. Assuming that the failure is caused by the interface decohesion only, the flow stress of SiC<SUB>p</SUB>/Al 356-T6 composite with the particle size of 7.5 μm and the volume fraction of 15% was fitted to Lloyd’ experimental data to get the reference fracture energy and the maximum traction. Based on them, a parametric study was performed to examine the size effect on the decohesion failure. The flow stress of composites showed distinct size effect of particle, cohesive energy, maximum traction and effective separation.