커넥팅로드 단조공정 시뮬레이션 및 타 결과와 비교

이민철† · 전만수*

A Connecting-Rod Forging Simulation and its Comparison with Other Results

Min Cheol Lee and ManSoo Joun

Key Words : Connecting Rod(커넥팅 로드), Forging Simulation(단조 시뮬레이션), Mesh Quality(요소품질)

Abstract

In this paper, we apply a forging simulator to automatic simulation of a connecting-rod forging process and compare its results with others found in the literature. The process information comes from the distributed examples of DEFORM3D. The process is fully automatically simulated using the tetrahedral element capability of AFDEX3D, developed by the authors. Our results are compared with the results found from the related literature, already simulated using DEFORM3D by other researchers. The comparison shows that our results are relatively excellent especially in terms of mesh quality on which the solution accuracy depends mainly.

1. 서 론

단조 공정 시뮬레이션 기술은 유한요소법(1)과 유한체적법(2)에 의하여 발전되어 왔다. 유한요소법

은 유한체적법에 비하여 결과의 정확도와 신뢰성

이 높다는 장점이 있다. 반면, 유한체적법은 복잡

한 문제와 계산 시간 측면에서 유리한 것이 현재

로써는 장점이 되고 있다. 계산 시간 문제는 컴퓨

터의 발전으로 머지않아 해결될 것으로 전망된다. 그러나 매우 복잡한 문제에 대해서는 장담할 수 없는 상황이다.

복잡한 단조 공정에 대한 유한요소해석 가능 여부는 요소망 자동생성 기술에 좌우될 수밖에 없다. 유한요소법의 장점인 결과의 정확성도 요소망

의 품질에 좌우된다. 유한요소해석의 생산성도 요소망의 생성 기술과 직결되어 있다. 따라서 유한

요소법에 바탕을 둔 단조 시뮬레이션 기술은 요소

망의 자동생성 기술에 종속되어 있다고 해도 과언

은 아니다.

이러한 까닭으로 많은 연구자들이 적응적 요소

망 자동생성 기술에 관한 연구를 실시하였다.(3-6) 저자들에 의하여 특성경계를 살리는 표면요소망 생성 기법(7,8)과 금형과 소재 사이의 간섭을 고려

한 적응적 요소망 재생성 또는 자동생성 기술(9,10) 이 개발되었다. 그리고 저자들(11)은 최근 단조 시뮬레이션 중 변화하는 경계조건을 요소망생성 시에 고려함으로써 지능적 요소망 자동생성 기법을 개발하였다.

본 연구에서는 전술한 지능적 요소망 자동생성 기법을 근간으로 개발된 단조공정 해석용 시뮬레

이터인 AFDEX3D 를 커넥팅로드 단조공정에 적용

하고, 그 결과를 DEFORM3D 의 결과와 비교함으

로써 개발된 기법의 장단점을 분석하고자 한다.

2. AFDEX 3D를 이용한 커넥팅로드

단조공정의 해석

유한요소법을 이용한 단조 시뮬레이션 기술의 연구자들에게 커넥팅로도와 크랭크샤프트의 단조 공정 해석(12-18)은 연구자들이 지향하는 궁극적인 목표 중의 하나이다. 많은 연구자들이 유한요소법

† 회원, 경상대 기계항공공학부 박사후과정 E-mail : mclee@gnu.ac.kr TEL : (055)751-6585 FAX : (055)751-5316

* 경상대 기계항공공학부 정교수

을 이용한 단조 시뮬레이션 기술과 그 응용에 관하여 연구하였으나, 아직 커넥팅로드 단조공정에 관한 해석 사례는 많지 않다. 국내에서도 일부의 연구자들(16-18)이 이에 관한 연구를 실시하였으나, 실공정과는 다소 거리가 있다.

최근들어 유한요소법에 근거한 단조 시뮬레이

터인 SFTC 사의 DEFORM 3D, MSC 사의 MSC.SuperFORM, TRANSVALOR 사의 FORGR 3D 등을 이용한 커넥팅로드 단조 공정의 해석이 이루

어지고 있으며, 이제 단조 시뮬레이션 기술이 발전하여 커넥팅로드의 단조공정을 대상으로 결과를 비교검토하는 시대에 접어들었다. 물론, 유한체적

법에 바탕을 두고 있는 MSC.SuperForge 는 국내의 열간단조회사에서도 복잡한 단조 공정의 시뮬레이

션 목적으로 비교적 널리 사용되고 있다. 본 연구에서는 Wan 등(6,19)이 2004 년도에 연구

한 DEFORM 3D 의 해석 결과와 저자들이 개발한 AFDEX 3D 의 결과를 비교하기 위하여 동일한 문제에 관하여 해석을 실시하였다. Fig. 1 은 해석에 사용된 금형과 소재 정보를 나타내고 있으며, 이 정보는 DEFORM 3D 의 예제목록에서 발췌하였다.

Workpiece

Punch

Die

Fig. 1 Process geometries including dies and material

해석에 사용된 공정조건은 다음과 같다. • Flow stress: 0.1860.76=σ ε (MPa) • Frictional constant: 0.2m = • Workpiece temperature: 1000 (℃) • Total relative stroke: 41.7 (mm)

(a) Initial (nodes: 9421, elements: 47990)

(b) Stroke 34% (nodes: 28747, elements: 152657)

(c) Stroke 48% (nodes: 24290, elements: 124401)

(d) Stroke 62% (nodes: 29067, elements: 147137)

(e) Stroke 73% (nodes: 37821, elements: 189339)

(f) Stroke 85% (nodes: 37961, elements: 187892)

(g) Stroke 94% (nodes: 39858, elements: 196413)

(h) Stroke 99% (nodes: 33230, elements: 160804)

(i) Stroke 100% (nodes: 32251, elements: 155703) Fig. 2 Global view of simulation results (bottom view)

4

본 연구에서는 요소망재구성 이후에 사면체요

소의 수가 150000 개 내외가 되도록 자동생성하였

다. 소재의 아래쪽 방향과 위쪽 방향에서 바라본 형상을 각각 Fig. 2 와 Fig. 3 에 나타내었다. 이 두 그림으로부터 AFDEX 3D 의 요소망 품질이 매우 우수함을 확인할 수 있다. 특히, 주목할 점은 요소

망의 패턴이 단조 공정중 재료의 형상과 유사하다

는 점이다. 이러한 특징으로 작은 요소의 수로도 복잡한 형상의 물체의 표현이 가능하다. 이러한 특징을 정교한 해석을 위해서 필수적으로 갖추어

져야 한다. 그림에서 보는 바와 같이 변형 중의 재료와 유사한 패턴의 요소망이 생성된 것은 AFDEX 3D 가 채택하고 있는 지능형 요소망 자동

생성 기능의 효과이다.

(a) Initial (nodes: 9421, elements: 47990)

(b) Stroke 34% (nodes: 28747, elements: 152657)

(c) Stroke 48% (nodes: 24290, elements: 124401)

(d) Stroke 62% (nodes: 29067, elements: 147137)

(e) Stroke 73% (nodes: 37821, elements: 189339)

(f) Stroke 85% (nodes: 37961, elements: 187892)

(g) Stroke 94% (nodes: 39858, elements: 196413)

(h) Stroke 99% (nodes: 33230, elements: 160804)

(i) Stroke 100% (nodes: 32251, elements: 155703) Fig. 3 Global view of simulation results (top view)

Fig. 4 Simulation results with DEFORM 3D (top view, nodes: 13893, elements: 61787)

3. AFDEX 3D와 DEFORM 3D의 비교

2004 년도 문헌(19)에 수록된 DEFORM 3D 의 해석결과를 Fig. 4 에 나타내었다.

최종 해석 결과에서 보는 바와 같이 전반적으

로 유사한 결과를 나타나고 있다. 그러나 요소망

의 분포 및 품질에 있어서는 매우 큰 차이를 보이

고 있다. 따라서 유한요소법의 특성상 전반적으로

는 유사한 결과가 얻어졌지만, 세부적으로는 다소

의 결과 차이가 발생할 것으로 판단된다.

4. 결 론

본 논문에서는 지능적 단조 시뮬레이션 기법에 근거한 단조 시뮬레이터 AFDEX 3D 의 적용성을 평가하기 위하여 커넥팅로드 단조 공정을 해석하

였으며, 그 결과를 관련 문헌에 발표된 DEFORM 3D 의 예측 결과와 비교하였다.

전체적인 변형 해석 결과는 두 소프트웨어 모두 유사하게 나타났다. 그러나 AFDEX 3D 는 우수

한 품질의 요소망, 즉 소재의 형상과 변형구간을 매우 잘 표현하고 있다. 이는 지능형 요소망재구

성 기법의 결과이다.

후 기

본 논문은 2 단계 BK21 사업 및 산업자원부 지역혁신 인력양성사업에 의해 지원되었음.

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