Fig. 2 Transverse half of continuously cast bloom with diameter 525 mm loaded by heat flux. Every group of elements (m1, m2, ..., m8) is represented by specific chemical composition, mechanical and thermophysical properties. Schematic representation of the defect is also included.

강철 블룸 내부 균열 방지: FEM 시뮬레이션을 활용한 최적의 가열 전략

이 기술 요약은 Miroslav KVÍČALA와 Karel FRYDRÝŠEK이 작성하여 2013년 Transactions of the VŠB – Technical University of Ostrava, Mechanical Series에 발표한 논문 “FEM SIMULATION OF STRESS-STRAIN FIELDS IN THE BLOOMS WITH CASTING DEFECT DURING SOAKING”을 바탕으로 기술 전문가를 위해 STI C&D에서 분석하고 요약한 내용입니다.

키워드

  • Primary Keyword: FEM 시뮬레이션
  • Secondary Keywords: 연속 주조 블룸, 내부 균열, 응력-변형률, 균열 전파, 균열 성장, 25CrMo4 강철

Executive Summary

  • The Challenge: 바나듐 미세합금강으로 만들어진 연속 주조 블룸은 열간 압연 전 가열 과정에서 내부 균열이 발생하고 전파되기 쉬워 최종 제품의 품질 저하를 유발합니다.
  • The Method: FEM 시뮬레이션(MSC.MARC)을 사용하여 내부 결함이 있는 직경 525mm의 블룸에 대해 두 가지 가열 전략(2시간 급속 가열 vs. 4시간 완속 가열)을 비교 분석했습니다.
  • The Key Breakthrough: 급속 가열은 블룸 중심부에서 훨씬 높은 소성 변형을 유발하여 균열 성장을 촉진하는 반면, 완속 가열은 이러한 변형을 효과적으로 억제합니다.
  • The Bottom Line: 열간 압연 공정 전, 연속 주조 블룸의 내부 균열 전파를 최소화하기 위해서는 적절한 속도의 완속 가열 전략이 필수적입니다.
Fig. 1 Macroetched transverse cut of continuously cast round bloom (diameter 525 mm) – A; transverse cut of hot rolled billet (260x260 mm) from 25CrMo4 steel – B.
Fig. 1 Macroetched transverse cut of continuously cast round bloom (diameter 525 mm) – A; transverse cut of hot rolled billet (260×260 mm) from 25CrMo4 steel – B.

The Challenge: Why This Research Matters for CFD Professionals

바나듐 미세합금강으로 제작된 대구경(직경 525mm) 연속 주조 블룸의 열간 압연 공정은 복잡한 문제를 안고 있습니다. 주조 과정에서 발생할 수 있는 내부 결함이 생산 공정 마지막 단계인 초음파 검사에서 발견되기 때문입니다. 최종 압연 빌렛의 품질은 주조 속도, 턴디시 내 용강의 과열도, 균열로(soaking pit)에서의 가열 조건, 열간 압연 계수 등 다양한 요인에 의해 결정됩니다. 특히, 주조된 블룸 자체에 이미 내부 결함(Fig. 1)이 존재할 수 있다는 사실은 공정을 더욱 복잡하게 만듭니다. 이러한 결함은 열간 압연 전 가열 단계에서 성장할 수 있으며, 이는 최종 제품의 불량으로 이어집니다. 따라서, 기존 결함의 성장을 억제하고 최종 제품의 품질을 보장하기 위한 최적의 가열 전략을 수립하는 것이 매우 중요합니다.

The Approach: Unpacking the Methodology

본 연구에서는 유한요소해석(FEM) 소프트웨어인 MSC.MARC/MENTAT를 사용하여 이 문제를 해결하고자 했습니다. 연구진은 대칭성과 평면 변형률 조건을 고려하여 실제 원형 블룸의 1/2 단면을 2D로 모델링했습니다. 모델에는 세 개의 뾰족한 끝을 가진 삼각 형태(tricuspid)의 내부 결함이 포함되었습니다(Fig. 2).

두 가지 주요 가열 전략이 시뮬레이션되었습니다. 1. 급속 가열: 2시간 동안 블룸 표면을 800°C까지 가열 (열유속 q = 5×10⁴ W/m²) 2. 완속 가열: 4시간 동안 블룸 표면을 800°C까지 가열 (열유속 q = 2.5×10⁴ W/m²)

Fig. 2 Transverse half of continuously cast bloom with diameter 525 mm loaded by heat flux. Every group of elements (m1, m2, ..., m8) is represented by specific chemical composition, mechanical and thermophysical properties. Schematic representation of the defect is also included.
Fig. 2 Transverse half of continuously cast bloom with diameter 525 mm loaded by heat flux. Every group of elements (m1, m2, …, m8) is represented by specific chemical composition, mechanical and thermophysical properties. Schematic representation of the defect is also included.

두 시나리오 모두 초기 온도는 20°C로 동일하게 설정되었습니다.

또한, 연속 주조 블룸의 화학적 불균일성을 반영하기 위해 모델을 8개의 재료 셀(m1-m8)로 나누고, 각 셀에 25CrMo4 강철의 온도(20-800°C)에 따른 항복 강도, 인장 강도, 탄성 계수, 열전도율, 열용량, 열팽창 계수 등 서로 다른 기계적 및 열물성 특성을 할당했습니다(Tab. 1, Tab. 2).

The Breakthrough: Key Findings & Data

Finding 1: 급속 가열은 높은 소성 변형을 유발하여 균열 성장을 촉진합니다.

시뮬레이션 결과, 급속 가열 전략은 완속 가열에 비해 블룸 중심부에서 훨씬 높은 등가 소성 변형(equivalent of plastic strain)을 유발하는 것으로 나타났습니다(Fig. 5A). 이 소성 변형 값은 탄성 변형 값보다 약 한 자릿수 더 높았으며, 이는 재료의 변형이 주로 소성 영역에서 발생함을 의미합니다. 특히, 상대적으로 낮은 온도인 300°C에서 500°C 사이에서 급격한 소성 변형이 발생했는데, 이는 블룸 내외부의 급격한 온도 차이로 인한 응력 집중이 균열 성장을 촉진하는 주요 원인임을 시사합니다.

Finding 2: 완속 가열은 응력 및 변형을 완화하여 내부 결함 안정성을 높입니다.

반면, 완속 가열 전략은 블룸 전체에 걸쳐 등가 소성 변형과 총 변형을 현저히 낮게 유지했습니다(Fig. 5A, 5B). 등가 응력(equivalent of stress) 프로파일은 두 전략 간에 큰 차이를 보이지 않았지만(Fig. 3A), 변형 거동에서는 뚜렷한 차이가 나타났습니다. 완속 가열은 블룸 내의 온도 구배를 점진적으로 완화시켜 열응력을 최소화합니다. 이는 기존에 존재하던 내부 결함 끝단에서의 응력 집중을 줄여 균열이 더 이상 전파되지 않도록 억제하는 효과를 가져옵니다. 따라서 적절한 가열 전략을 사용하면, 작은 내부 균열은 후속 열간 압연 공정 중에 용접되어 제거될 수 있습니다.

Practical Implications for R&D and Operations

  • For Process Engineers: 본 연구는 25CrMo4 강철 블룸의 균열로 가열 속도를 2시간에서 4시간으로 늦추는 것만으로도 내부 균열 전파 위험을 크게 줄일 수 있음을 시사합니다. 이는 품질 관리를 위해 제어해야 할 핵심 공정 변수입니다.
  • For Quality Control Teams: Figure 5의 데이터는 가열 전략과 균열 성장의 원동력인 소성 변형 사이의 직접적인 연관성을 보여줍니다. 이는 품질 검사 프로토콜을 수립하는 데 중요한 정보를 제공하며, 급속 가열 사이클로 생산된 빌렛에 대해 더 엄격한 초음파 검사를 적용하는 근거가 될 수 있습니다.
  • For Design Engineers: 이 결과는 제조 공정 설계 시 열 관리(가열)와 기계적 가공(압연)을 통합적으로 고려해야 함을 강조합니다. 특히, 주조 결함을 포함할 수 있는 블룸의 초기 상태는 전체 공정 체인을 설계할 때 반드시 고려되어야 합니다.

Paper Details


FEM SIMULATION OF STRESS-STRAIN FIELDS IN THE BLOOMS WITH CASTING DEFECT DURING SOAKING

1. Overview:

  • Title: FEM SIMULATION OF STRESS-STRAIN FIELDS IN THE BLOOMS WITH CASTING DEFECT DURING SOAKING
  • Author: Miroslav KVÍČALA, Karel FRYDRÝŠEK
  • Year of publication: 2013
  • Journal/academic society of publication: Transactions of the VŠB – Technical University of Ostrava, Mechanical Series
  • Keywords: Bloom, crack, FEM, soaking, vanadium.

2. Abstract:

Round continuously cast blooms heating strategy is crucial in prevention of internal cracks initiation and propagation. Especially vanadium microalloyed Cr-Mo based steels are very sensitive to internal crack occurrence. This paper deals with two heating strategies that were realized in soaking pit. Using FEM simulation it was proved that proper heating strategy is essential to reduce internal crack propagation.

(Abstrakt) Spravná strategie ohřevu kruhových kontislitků je zcela klíčová při prevenci vzniku a šíření vnitřních defektů. Obzvláště oceli mikrolegované vanadem jsou velmi náchylné ke vzniku vnitřních licích defektů. Tento článek pojednává o dvou strategiích ohřevu, které byly realizovány v hlubinné peci. Za použití MKP bylo dokázáno, že vhodná strategie ohřevu je zcela nezbytná, má-li být šíření trhliny co nejvíce omezeno.

3. Introduction:

바나듐 미세합금강의 경우, 직경 525mm의 원형 연속 주조 블룸으로부터 사각 빌렛을 열간 압연하는 공정은 복잡합니다. 생산 공정 마지막 단계인 냉각대에서의 초음파 검사 중에 내부 결함이 발견되기 때문입니다. 최종 열간 압연 빌렛의 품질은 주조 속도, 턴디시 내 용강의 과열도, 균열로에서의 가열 조건, 열간 압연 계수 등 주조 조건에 특히 영향을 받습니다. 또한 연속 주조 블룸에 내부 결함이 포함될 수 있다는 사실도 생산 공정을 복잡하게 만듭니다(Fig. 1).

4. Summary of the study:

Background of the research topic:

바나듐 미세합금강 블룸의 열간 압연 공정은 내부 결함 발생으로 인해 복잡성을 띱니다.

Status of previous research:

선행 연구들[1-5]은 주조 조건과 열간 압연 계수 등이 최종 제품 품질에 미치는 영향을 다루어 왔습니다.

Purpose of the study:

본 연구의 목적은 주조 결함이 존재하는 경우에도 균열로에서의 가열 전략 최적화를 통해 내부 균열 성장을 억제할 수 있음을 입증하는 것입니다.

Core study:

내부 결함을 포함한 블룸에 대해 두 가지 다른 가열 전략(급속 vs. 완속)을 적용했을 때 발생하는 응력-변형률 장을 FEM 시뮬레이션을 통해 분석하고 비교했습니다.

5. Research Methodology

Research Design:

비교 유한요소해석(FEM) 시뮬레이션 연구.

Data Collection and Analysis Methods:

MSC.MARC/MENTAT 소프트웨어를 사용하여 온도와 시간에 따른 응력, 탄성 변형, 소성 변형, 총 변형을 시뮬레이션하고 분석했습니다.

Research Topics and Scope:

삼각 형태의 결함을 가진 직경 525mm의 25CrMo4 강철 블룸의 2D 모델을 대상으로, 800°C까지의 두 가지 가열 속도에 대한 영향을 분석했습니다.

6. Key Results:

Key Results:

  • 급속 가열은 완속 가열에 비해 블룸 중심부에서 현저히 높은 소성 변형을 유발합니다.
  • 완속 가열은 재료의 소성 변형을 억제하여 균열 전파 조건을 완화합니다.
  • 공정 중 발생하는 소성 변형은 탄성 변형보다 약 한 자릿수 더 높아, 균열 성장의 주된 메커니즘임을 시사합니다.
  • 적절한 가열 전략은 주조 결함이 있더라도 후속 열간 압연 공정에서 결함이 제거될 가능성을 높입니다.
Fig. 3 Temperature dependence of equivalent of stress – A and equivalent of elastic strain - B, in the centre of continuously cast bloom for two heating strategies (2 hours and 4 hours). Model with internal tricuspid defect was used.
Fig. 3 Temperature dependence of equivalent of stress – A and equivalent of elastic strain – B, in the centre of continuously cast bloom for two heating strategies (2 hours and 4 hours). Model with internal tricuspid defect was used.

Figure List:

  • Fig. 1 Macroetched transverse cut of continuously cast round bloom (diameter 525 mm) – A; transverse cut of hot rolled billet (260×260 mm) from 25CrMo4 steel – В.
  • Fig. 2 Transverse half of continuously cast bloom with diameter 525 mm loaded by heat flux. Every group of elements (m1, m2, …, m8) is represented by specific chemical composition, mechanical and thermophysical properties. Schematic representation of the defect is also included.
  • Fig. 3 Temperature dependence of equivalent of stress – A and equivalent of elastic strain – B, in the centre of continuously cast bloom for two heating strategies (2 hours and 4 hours). Model with internal tricuspid defect was used.
  • Fig. 4 Equivalent von Mises stresses across the continuously cast bloom during heating in soaking pit (FEM results).
  • Fig. 5 Temperature dependence of equivalent of plastic strain – A and equivalent of total strain – B, in the centre of continuously cast bloom for two heating strategies (2 hours and 4 hours). Model with internal tricuspid defect was used.

7. Conclusion:

두 가지 가열 전략에 대한 FEM 시뮬레이션은 대규모 내부 균열 성장의 원인을 밝혔습니다. 주조 조건이 최적이 아니더라도, 균열로에서의 적절한 가열을 통해 급격한 내부 균열 성장을 방지할 수 있습니다. 결함 성장이 제한되면, 적절한 열간 압연을 통해 초음파 검사에서 식별되는 내부 결함의 수를 줄일 수 있습니다. 본 논문에서 논의된 가열 전략은 블룸 품질과 생산 능력 및 가스 소비량 사이의 절충안을 나타냅니다.

8. References:

  1. KVÍČALA, M., HENDRYCH, A., ŽIVOTSKÝ, O. & JANDAČKA, P., The influence of Cr, Mn and Mo elements on cracks occurence in low-alloyed Cr-Mo steels. Acta Metallurgica Slovaca 2010, Vol. 16, Nr.2, pp. 122-126, ISSN 1338-1156.
  2. KVÍČALA, M., MORÁVKA, J. & JANDAČKA, P.: Influence of continuously cast bloom’s heating strategy on cracks occurence in low-alloyed Cr-Mo based steel 25CrMo4. INŻYNIERIA MATERIAŁOWA. 2010, Nr. 6, pp. 1433 – 1436, ISSN 0208-6247.
  3. KVÍČALA. M., KLIMEK, M. & SCHINDLER I., Study of Technological Formability of Low-Alloyed Steel 25CrMo4. Hutnické listy. 2009, Nr. 6, pp. 13-15, ISSN 0018-8069.
  4. MINTZ, B., BARENJEE., J. R. Influence of C and Mn on ductility behaviour of steel and its relationship to transverse cracking in continuous casting. Materials Science and Technology 2010, Vol. 26, pp. 547 – 551. ISSN 0267-0836.
  5. MINTZ, B., CROWTHER, D. N. Hot ductility of steels and its relation to the problem of transverse cracking in continuous casting. International Materials Reviews 2010, Vol. 55, pp. 168 – 196. ISSN 0950-6608.
  6. FRYDRÝŠEK, K.: Praktikum software MSC.MARC/MENTAT – část 1, Faculty of Mechanical Engineering, VŠB-Technical University of Ostrava, Ostrava, ISBN 978-80-248-2125-2, Ostrava, 2009, Czech Republic, pp.154.
  7. FRYDRÝŠEK, K., FUSEK, M., HRABEC, J.: Praktikum software MSC.MARC/MENTAT – část 2, Faculty of Mechanical Engineering, VŠB-Technical University of Ostrava, Ostrava, ISBN 978-80-248-2211-2, Ostrava, 2010, Czech Republic, pp.144.
  8. KVÍČALA, M.; FRYDRÝŠEK, K.: Simulation of temperature gradients and equivalent stress of low-alloyed Cr-Mo based steel, International Scientific Conference Mechanical Structures and Foundation Engineering 2010, Ostrava, Czech Republic (2010), p. 36 – 43.
  9. KVÍČALA, M.; FRYDRÝŠEK, K.: Simulation of elastic and plastic deformation behavior of low-alloyed Cr-Mo based steel, International Scientific conference Mechanical Structures and Foundation Engineering 2010, Ostrava, Czech Republic (2010),pp. 44 – 51.

Expert Q&A: Your Top Questions Answered

Q1: 왜 3D 모델이 아닌 2D 모델을 시뮬레이션에 사용했나요?

A1: 논문에 따르면, 응력-변형률 거동은 블룸의 횡단면에 걸친 열 구배에 의해 주로 유발되며, 길이 방향의 열 구배는 무시할 수 있을 정도로 작기 때문에 2D 모델이 이 문제를 설명하는 데 완전히 정확하다고 언급합니다. 따라서 계산 효율성을 고려하여 2D 모델을 채택했습니다.

Q2: 논문에서 언급된 8개의 재료 셀(m1-m8)에 대한 구체적인 물성은 어떻게 결정되었나요?

A2: 각 셀의 물성은 실험적 절차[1,3]와 IDS 응고 소프트웨어 계산을 통해 알려진 화학적 불균일성에 근거하여 결정되었습니다. 항복 강도, 열전도율 등과 같은 특성들은 Table 1의 최소/최대 값 범위에서 알 수 있듯이 블룸의 직경에 따라 다르게 할당되었습니다.

Q3: Figure 3B를 보면, 급속 가열 시 약 500°C에서 등가 탄성 변형이 오히려 더 낮게 나타납니다. 직관과 반대되는 결과인데, 어떻게 설명할 수 있나요?

A3: 논문은 이 현상이 ‘집중적인 소성 변형(intensive plastic deformation)’의 결과라고 설명합니다. 재료가 항복점에 도달하면서 탄성 변형이 훨씬 더 큰 소성 변형으로 전환되기 때문입니다. 즉, 재료가 탄성적으로 버티는 대신 소성적으로 변형되기 때문에 측정된 탄성 변형 값은 낮아지는 것이며, 이는 Figure 5A의 높은 소성 변형 값으로 확인됩니다.

Q4: 소성 변형이 탄성 변형보다 한 자릿수 더 높다는 것이 실제 공정에서 갖는 의미는 무엇인가요?

A4: 이는 해당 공정에서 변형 및 잠재적 파손(균열 성장)을 유발하는 주된 메커니즘이 탄성적 늘어남이 아닌 소성 유동(plastic flow)이라는 것을 의미합니다. 따라서 Figure 5A에서 볼 수 있듯이 소성 변형을 제어하는 것이 결함을 방지하는 핵심 열쇠가 됩니다.

Q5: 결론에서 ‘절충안(compromise)’이라는 표현을 사용했습니다. 완속 가열 전략을 선택할 때 발생하는 트레이드오프는 무엇인가요?

A5: 논문에 따르면, 이 전략은 블룸 품질(완속 가열 시 향상)과 생산 능력 및 가스 소비량(급속 가열 시 유리) 사이의 절충안입니다. 완속 가열 공정은 더 오랜 시간이 걸리고 더 많은 에너지를 소비하므로 생산성과 비용에 영향을 미칩니다. 따라서 품질과 생산성 사이에서 최적의 균형점을 찾는 것이 중요합니다.


Conclusion: Paving the Way for Higher Quality and Productivity

본 연구는 FEM 시뮬레이션을 통해 연속 주조 블룸의 가열 전략이 내부 균열 성장에 미치는 지대한 영향을 명확히 보여주었습니다. 급속 가열은 높은 소성 변형을 유발하여 균열을 악화시키는 반면, 신중하게 제어된 완속 가열은 열응력을 최소화하여 결함의 안정성을 확보하고 후속 압연 공정에서의 품질을 향상시킵니다. 이 연구 결과는 철강 생산 현장에서 품질과 생산성 사이의 균형을 맞추는 데 중요한 공학적 통찰을 제공합니다.

(주)에스티아이씨앤디에서는 최신 산업 연구 결과를 적용하여 고객이 더 높은 생산성과 품질을 달성할 수 있도록 지원합니다. 본 백서에서 논의된 과제가 귀사의 운영 목표와 일치한다면, 저희 엔지니어링 팀에 연락하여 이러한 원칙을 귀사의 부품에 어떻게 구현할 수 있는지 알아보십시오.

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Copyright Information

  • This content is a summary and analysis based on the paper “FEM SIMULATION OF STRESS-STRAIN FIELDS IN THE BLOOMS WITH CASTING DEFECT DURING SOAKING” by “Miroslav KVÍČALA, Karel FRYDRÝŠEK”.
  • Source: https://www.degruyter.com/document/doi/10.2478/tvsb-2013-0006/html

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Figure 2.1 Axonometric 3D weld profiles for top and bottom welds at “nominal,” “low,” and “high” conditions.

6061-T6 알루미늄 합금 저항 점용접의 피로 성능 최적화: 실험 및 시뮬레이션 심층 분석

이 기술 요약은 Radu Stefanel Florea가 Mississippi State University(2012)에 제출한 박사학위 논문 “Experiments and Simulation for 6061-T6 Aluminum Alloy Resistance Spot Welded Lap Joints”를 기반으로 합니다. 이 자료는 STI C&D에 의해 기술 전문가들을 위해 분석 및 요약되었습니다.

키워드

  • Primary Keyword: 6061-T6 알루미늄 저항 점용접
  • Secondary Keywords: 저항 점용접 시뮬레이션, 알루미늄 용접, 피로 수명, 용접 공정 최적화, 다중물리 해석, COMSOL, ABAQUS

Executive Summary

  • 도전 과제: 자동차 및 군수 산업의 경량화 요구로 6061-T6 알루미늄 합금의 저항 점용접(RSW)이 중요해졌지만, 공정의 복잡성으로 인해 용접 품질이 일정하지 않은 문제가 있습니다.
  • 연구 방법: 세 가지 용접 조건(“저”, “공칭”, “고”)에서 6061-T6 알루미늄 합금의 RSW 랩 조인트에 대한 광범위한 실험(인장/피로 시험, EBSD, 레이저 프로파일 측정)과 다중물리 유한요소해석(ABAQUS, COMSOL)을 결합하여 용접 파라미터의 영향을 정량화했습니다.
  • 핵심 발견: 용접 전류는 용접부 압흔 깊이, 미세구조(용융부 및 열영향부의 결정립 크기), 잔류 응력에 직접적인 영향을 미치며, 이는 최종적으로 조인트의 피로 수명과 파괴 모드를 결정하는 핵심 요소임이 밝혀졌습니다.
  • 핵심 결론: 6061-T6 알루미늄의 고품질 점용접을 위해서는 용접 파라미터의 정밀한 제어가 필수적이며, 다중물리 시뮬레이션은 비용이 많이 드는 실험적 시행착오를 줄이고 공정을 최적화하는 데 핵심적인 도구입니다.

도전 과제: 왜 이 연구가 CFD 전문가에게 중요한가

자동차 및 군수 산업에서는 연비 향상과 배출가스 감소를 위해 차체 경량화가 최우선 과제입니다. 이를 위해 강철을 대체할 경량 소재로 6061-T6와 같은 고강도 알루미늄 합금이 주목받고 있습니다. 저항 점용접(RSW)은 대량 생산에 적합한 빠르고 자동화된 접합 기술이지만, 알루미늄에 적용할 때는 문제가 복잡해집니다.

알루미늄은 강철보다 열전도율과 전기전도율이 높아 훨씬 더 높은 전류와 정밀한 제어가 필요합니다. 부적절한 용접 파라미터는 용접부의 강도 저하, 피로 수명 단축, 과도한 압흔으로 인한 후처리 비용 증가 등 다양한 문제를 야기합니다. 특히 용접부의 미세구조 변화, 잔류 응력 분포, 피로 파괴 메커니즘 간의 복잡한 상호작용을 이해하는 것은 고품질의 일관된 용접을 달성하는 데 큰 장벽이었습니다. 이 연구는 이러한 기술적 난제를 해결하기 위해 용접 공정 파라미터가 6061-T6 알루미늄 RSW 조인트의 기계적 거동에 미치는 영향을 실험과 시뮬레이션을 통해 정량적으로 분석하고자 했습니다.

연구 접근법: 방법론 상세 분석

본 연구는 6061-T6 알루미늄 합금 RSW 랩 조인트의 거동을 심층적으로 이해하기 위해 포괄적인 실험적 분석과 전산 모델링을 결합했습니다.

  • 소재 및 시편: 두께 2mm의 6061-T6 알루미늄 시트 두 개를 35mm 겹쳐 중앙에 단일 점용접을 실시한 랩-전단 시편을 사용했습니다. 용접 전 자연 산화막은 기계적, 화학적으로 제거되었습니다.
  • 용접 공정: 서보 건(servo-gun) 방식의 RSW 장비와 구리-지르코늄 합금 전극을 사용했습니다. 용접 품질 확보를 위해 주 용접(main weld)과 후열(post-heat)의 두 단계로 공정을 구성했으며, 전류, 가압력, 시간 등 공정 파라미터를 조절하여 세 가지 조건(“저”-26kA, “공칭”-30kA, “고”-38kA)의 시편을 제작했습니다. “공칭” 조건은 군사 규격(MIL-W-6858D)을 충족하도록 설정되었습니다.
  • 실험적 분석:
    • 기계적 특성 평가: 정적 인장 시험을 통해 파단 하중을 측정하고, 하중 제어 방식의 피로 시험을 통해 다양한 하중비(R=0.0, 0.1, 0.3, 0.5)에서의 피로 수명(S-N 곡선)을 평가했습니다.
    • 형상 및 미세구조 분석: 레이저 빔 프로파일 측정기(LBP)를 사용하여 용접부 표면의 압흔 깊이를 비파괴적으로 정량화했으며, 광학 현미경(OM)과 전자후방산란회절(EBSD) 분석을 통해 용융부(FZ), 열영향부(HAZ), 모재(BM)의 결정립 크기와 방향성을 분석했습니다.
    • 잔류 응력 측정: 중성자 회절(Neutron Diffraction)을 이용하여 용접부 내부의 3차원 잔류 응력(종방향, 횡방향, 수직방향)을 비파괴적으로 측정했습니다.
  • 수치 해석:
    • 다중물리 시뮬레이션: 상용 유한요소해석 패키지인 ABAQUS와 COMSOL MULTIPHYSICS를 사용하여 RSW 공정의 복잡한 열-전기-기계 연성 거동을 모델링했습니다. COMSOL에서는 Bammann 내부 상태 변수(BCJ) 구성 모델을 구현하여 재료의 비탄성 거동을 정밀하게 모사했습니다.

핵심 발견: 주요 결과 및 데이터

결과 1: 용접 전류가 용접부 형상 및 미세구조에 미치는 직접적 영향

용접 전류는 용접 품질을 결정하는 가장 중요한 변수임이 명확히 확인되었습니다.

레이저 프로파일 측정 결과, 용접 전류가 증가함에 따라 전극에 의한 압흔 깊이가 선형적으로 증가했습니다(그림 2.2a). 이는 과도한 전류가 표면 품질을 저하시키고 응력 집중을 유발할 수 있음을 시사합니다.

EBSD 분석 결과, 용접 전류는 용접부의 미세구조를 극적으로 변화시켰습니다(그림 2.5). “고” 전류 조건(38kA)에서는 용융부(FZ)의 결정립이 약 7.82 마이크론으로 미세화되었지만, 열영향부(HAZ)에서는 결정립 성장이 관찰되었습니다. 반면, “저” 전류 조건(26kA)에서는 불충분한 열 입력으로 인해 불균일한 미세구조가 형성되어 용접 품질이 저하되었습니다. 그림 2.6은 용접 조건에 따른 FZ와 HAZ의 평균 결정립 크기 변화를 명확히 보여줍니다.

Figure 2.1 Axonometric 3D weld profiles for top and bottom welds at “nominal,”
“low,” and “high” conditions.
Figure 2.1 Axonometric 3D weld profiles for top and bottom welds at “nominal,” “low,” and “high” conditions.

결과 2: 용접 파라미터가 피로 수명과 파괴 모드를 결정

용접 조건은 정적 강도뿐만 아니라 동적 하중 하에서의 피로 수명과 파괴 거동에도 결정적인 영향을 미쳤습니다.

최대 하중 2.0kN, 하중비 R=0.0 조건에서 수행된 피로 시험 결과, “고” 조건 시편의 평균 파괴 수명은 약 120,000 사이클이었던 반면, “저” 조건 시편은 약 6,000 사이클로 급격히 감소했습니다(그림 3.8). 흥미롭게도 “공칭” 조건과 “고” 조건의 피로 수명은 유사하게 나타나, 정적 강도 증가가 반드시 피로 성능 향상으로 이어지지는 않음을 보여주었습니다.

또한, 용접 조건에 따라 파괴 모드가 달라졌습니다(그림 3.11). “저” 조건에서는 용접 계면에서 파괴(interfacial fracture)가 발생한 반면, “공칭” 조건에서는 용접 너겟 주변 모재에서 파단(button pull-out)이 일어났습니다. “고” 조건에서는 두 가지 모드가 혼합된 형태로 나타났습니다. 이는 용접 파라미터가 조인트의 파괴 메커니즘 자체를 변화시킨다는 것을 의미합니다.

Figure 2.5 Fusion zone (FZ), heat affected zone (HAZ) and base metal (BM) are
shown on Electron Back Scatter Diffraction (EBSD) grain size mapping
plot along with the grain sizes in these regions
Figure 2.5 Fusion zone (FZ), heat affected zone (HAZ) and base metal (BM) are shown on Electron Back Scatter Diffraction (EBSD) grain size mapping plot along with the grain sizes in these regions

R&D 및 운영을 위한 실질적 시사점

  • 공정 엔지니어: 본 연구는 용접 전류와 후열 공정이 6061-T6 알루미늄의 용접 품질에 결정적임을 보여줍니다. 특히 MIL-W-6858D 규격을 만족하는 “공칭” 조건(30kA 전류, 3.8kN 가압력, 후열 적용)은 정적 강도와 피로 수명 측면에서 최적의 균형을 제공합니다. 단순히 전류를 높이는 것이 피로 성능을 개선하지 않을 수 있으므로, 목표 성능에 맞는 정밀한 공정 파라미터 설정이 중요합니다.
  • 품질 관리팀: 레이저 프로파일 측정(그림 2.2)은 용접부 압흔 깊이를 측정하여 용접 전류의 적절성을 비파괴적으로 신속하게 평가할 수 있는 유용한 도구가 될 수 있습니다. 또한, 파괴된 시편의 파괴 모드(그림 3.11)를 분석하여 용접 공정의 안정성을 역으로 추적하고 관리하는 기준으로 활용할 수 있습니다.
  • 설계 엔지니어: 중성자 회절로 측정한 잔류 응력 데이터(그림 4.8-4.11)는 용접부 주변에 높은 인장 응력이 존재함을 보여줍니다. 이는 부품의 피로 수명 예측 시 반드시 고려해야 할 요소입니다. 특히 수직 방향 응력(σ33)이 거의 없어 평면 응력(plane stress)으로 가정한 해석의 타당성을 높여주므로, 보다 효율적인 CAE 해석이 가능합니다.

논문 정보


Experiments and Simulation for 6061-T6 Aluminum Alloy Resistance Spot Welded Lap Joints

1. 개요:

  • 제목: Experiments and Simulation for 6061-T6 Aluminum Alloy Resistance Spot Welded Lap Joints
  • 저자: Radu Stefanel Florea
  • 발행 연도: 2012
  • 발행 기관: Mississippi State University
  • 키워드: Resistance spot welding (RSW), 6061-T6 aluminum alloy, fatigue, failure loads, microstructure, residual stress, neutron diffraction, finite element analysis (FEA)

2. 초록:

이 포괄적인 연구는 용접 파라미터와 공정 민감도에 따른 6061-T6 알루미늄(Al) 합금의 저항 점용접(RSW)에서 피로 성능, 파단 하중 및 미세구조를 정량화한 최초의 연구입니다. 광범위한 실험, 이론 및 시뮬레이션 분석은 연비 효율이 더 높은 자동차 및 군용 애플리케이션을 위한 경량 구조물의 용접을 최적화하기 위한 프레임워크를 제공할 것입니다. 연구는 네 가지 주요 구성 요소로 실행되었습니다. 첫 번째 섹션에서는 전자후방산란회절(EBSD) 스캐닝, 인장 시험, 레이저 빔 프로파일 측정(LBP) 및 광학 현미경(OM) 이미지를 사용하여 Al 합금 저항 점용접 조인트의 파단 하중과 변형을 실험적으로 조사했습니다. 세 가지 용접 조건과 너겟 및 미세구조 특성은 사전 정의된 공정 파라미터에 따라 정량화되었습니다. 두 번째 섹션에서는 RSW된 조인트의 피로 거동을 실험적으로 조사했습니다. 세 번째 섹션은 세 가지 다른 방향(면내 종방향, 면내 횡방향, 수직)으로 측정된 잔류 변형률로 구성되었습니다. 중성자 회절 결과, 용접부의 잔류 응력은 모재의 항복 강도보다 약 40% 낮았습니다. 마지막 섹션에서는 6061-T6 알루미늄 저항 점용접 조인트에 대한 이론적 연속체 모델링 프레임워크를 제시합니다.

3. 서론:

자동차 및 군수 산업은 지상 차량의 연비 향상을 위해 경량 합금과 고품질 용접을 필요로 합니다. 이 프로젝트의 광범위한 실험, 이론 및 시뮬레이션 분석은 보다 연료 효율적인 자동차 및 군용 애플리케이션을 위한 경량 구조물의 용접을 개선하기 위한 프레임워크를 제공할 것입니다. 본 논문은 6061-T6 알루미늄의 저항 점용접(RSW)에 대한 파단 하중과 변형을 준정적 인장 시험, 레이저 빔 프로파일 측정 및 전자후방산란 기술을 사용하여 설명합니다.

4. 연구 요약:

연구 주제의 배경:

자동차 및 군수 산업에서 연비 향상을 위한 경량화 요구가 증가함에 따라, 6061-T6와 같은 고강도 알루미늄 합금의 적용이 확대되고 있습니다. 저항 점용접(RSW)은 높은 생산성으로 인해 널리 사용되는 접합 기술이지만, 알루미늄 합금에 적용 시 높은 열/전기 전도율로 인해 공정 제어가 어렵고 용접 품질의 일관성을 확보하기 어렵습니다.

이전 연구 현황:

이전 연구들은 주로 강철의 RSW에 집중되었거나, 알루미늄 RSW의 특정 현상(예: 너겟 크기 예측, 전극 수명)에 국한되었습니다. 특히 6061-T6 합금의 용접 파라미터가 미세구조, 피로 수명, 파괴 모드, 그리고 3차원 잔류 응력 분포에 미치는 영향을 종합적으로 정량화한 연구는 부족했습니다.

연구 목적:

본 연구의 목적은 6061-T6 알루미늄 합금 RSW 랩 조인트에 대해 용접 파라미터(특히 전류)가 기계적 특성(정적 강도, 피로 수명), 미세구조, 잔류 응력에 미치는 영향을 포괄적으로 규명하는 것입니다. 이를 통해 경량 구조물 용접 공정을 최적화하고, 신뢰성 높은 부품 설계를 위한 실험적 데이터와 검증된 시뮬레이션 프레임워크를 제공하고자 합니다.

핵심 연구:

  • 세 가지 용접 조건(“저”, “공칭”, “고”)이 용접부의 형상(압흔), 미세구조(결정립 크기), 정적 파단 하중에 미치는 영향 분석.
  • 용접 조건이 다양한 하중비에서 조인트의 피로 수명(S-N 곡선) 및 파괴 모드에 미치는 영향 분석.
  • 중성자 회절을 이용한 용접부의 3차원 잔류 응력 분포 측정 및 정량화.
  • 다중물리 유한요소해석(ABAQUS, COMSOL)을 통한 RSW 공정 시뮬레이션 및 실험 결과와의 비교 검증.

5. 연구 방법론

연구 설계:

실험적 접근과 수치 해석적 접근을 병행하는 통합 연구 설계를 채택했습니다. 세 가지로 제어된 용접 조건 하에서 제작된 시편을 사용하여 기계적, 미세구조적 특성을 체계적으로 평가하고, 이 결과를 다중물리 시뮬레이션 모델의 검증 데이터로 활용했습니다.

데이터 수집 및 분석 방법:

  • 정적/동적 시험: 서보 유압식 만능시험기(MTS 810)를 사용하여 정적 인장 시험 및 하중 제어 피로 시험을 수행하고, 하중-변위 및 파괴 수명 데이터를 수집했습니다.
  • 형상/미세구조 분석: 레이저 빔 프로파일 측정기, 광학 현미경(OM), Zeiss Supra40 주사전자현미경(SEM)에 장착된 EBSD 시스템을 사용하여 표면 형상 및 미세구조 데이터를 수집하고 분석했습니다.
  • 잔류 응력 측정: Oak Ridge 국립 연구소의 고선속 동위원소 원자로(HFIR)에 있는 중성자 잔류 응력 매핑 장비(NRSF2)를 사용하여 중성자 회절 데이터를 수집하고, 이를 통해 3차원 잔류 응력을 계산했습니다.
  • 수치 해석: ABAQUS/Standard 및 COMSOL MULTIPHYSICS 소프트웨어를 사용하여 열-전기-기계 연성 해석을 수행했습니다.

연구 주제 및 범위:

본 연구는 2mm 두께의 6061-T6 알루미늄 합금 시트를 사용한 단일 랩-전단 저항 점용접 조인트에 초점을 맞춥니다. 연구 범위는 용접 전류를 주요 변수로 하여 기계적 거동(정적 강도, 피로 수명), 미세구조 변화, 잔류 응력 분포를 분석하고, 이를 예측하기 위한 다중물리 시뮬레이션 프레임워크를 개발하는 것을 포함합니다.

6. 주요 결과:

주요 결과:

  • 용접 전류 증가는 용접부 표면 압흔 깊이의 선형적 증가를 유발했습니다.
  • 용접부의 미세구조는 용접 조건에 따라 크게 변화했습니다. 용융부(FZ)에서는 전류가 높을수록 결정립이 미세해졌고, 열영향부(HAZ)에서는 결정립이 성장하는 경향을 보였습니다.
  • 정적 파단 하중은 “저” 조건(약 3,000 N)에서 “고” 조건(약 6,000 N)으로 가면서 증가했습니다.
  • 피로 수명은 “저” 조건에서 급격히 감소했으며, “공칭” 조건과 “고” 조건에서는 유사한 수준을 보였습니다. 파괴 수명은 약 6,000 사이클에서 2,000,000 사이클 이상까지 넓은 범위에 분포했습니다.
  • 용접 조건에 따라 계면 파괴, 버튼 풀아웃 등 다양한 피로 파괴 모드가 관찰되었습니다.
  • 중성자 회절 측정 결과, 용접부의 잔류 응력은 모재 항복 강도의 약 40% 수준이었으며, 특히 판 두께 방향의 수직 응력(σ33)은 거의 무시할 수 있는 수준이었습니다.
  • COMSOL을 이용한 다중물리 시뮬레이션 결과는 EBSD로 관찰된 미세구조 영역(FZ, HAZ) 및 온도 분포와 좋은 상관관계를 보였습니다.

Figure List:

  • Figure 2.1 Axonometric 3D weld profiles for top and bottom welds at “nominal,” “low,” and “high” conditions.
  • Figure 2.2 Average heights and depths for the different weld conditions.
  • Figure 2.3 Load versus displacement graphs showing the consistency for “nominal,” “low” and “high” conditions.
  • Figure 2.4 Welded specimens prior to quasi-static tensile testing (a) and fractured specimens (b).
  • Figure 2.5 Fusion zone (FZ), heat affected zone (HAZ) and base metal (BM) are shown on Electron Back Scatter Diffraction (EBSD) grain size mapping plot along with the grain sizes in these regions.
  • Figure 2.6 Average grain size as a function of welding conditions for the fusion zone (FZ) and heat affected zone (HAZ).
  • Figure 3.1 RSW process overview.
  • Figure 3.2 Geometry of Al 6061-T6 resistance spot weld lap-shear coupon.
  • Figure 3.3 Weld parameter development (current and force traces) with corresponding microstructures for a1, 2) “nominal”, b1), b2) “low” and c1), c2) “high” conditions.
  • Figure 3.4 Welding equipment used to produce welds at three nugget sizes.
  • Figure 3.5 Fatigue testing set-up.
  • Figure 3.6 Resistance spot welding specimens for 3 process conditions denoted as “nominal”, “high or big” and “low or small.”
  • Figure 3.7 Graph shows maximum load versus number of cycles to complete failure for different load ratios.
  • Figure 3.8 Graph shows number of cycles to complete failure for different welding conditions denoted as “nominal”, low” and “high”.
  • Figure 3.9 Macrographs of welds obtained during process parameter development.
  • Figure 3.10 Fractured fatigue resistance spot welding specimens.
  • Figure 3.11 Fractured fatigue resistance spot welding specimens. These specimens were tested at one load ratio (R=0.00) and three welding conditions denoted as “nominal”, “low” and “high”.
  • Figure 3.12 Scanning Electron Microscopy showing top and bottom of weld #36 for “nominal” condition.
  • Figure 3.13 Scanning electron microscope fractography of a fatigue resistance spot welding of specimen #36 top plate at “nominal” condition.
  • Figure 4.1 Overall view of resistant spot welding (RSW) with destructive testing.
  • Figure 4.2 Geometry of Al 6061-T6 resistance spot welded lap-shear coupon.
  • Figure 4.3 Overall view of the welding equipment.
  • Figure 4.4 (a) An RSW’ed specimen prior to quasi-static tensile testing, and (b) subsequent fractured specimen after the quasi-static tensile test.
  • Figure 4.5 EBSD data shows grain size evolutions in the weld region.
  • Figure 4.6 Neutron scatter diffraction equipment used to measure residual stresses.
  • Figure 4.7 Data acquisition for neutron scatter diffraction.
  • Figure 4.8 In-plane longitudinal (σ11) stresses in (a) horizontal direction of the welded plate and (b) vertical direction.
  • Figure 4.9 In-plane transversal (σ22) stresses in (a) horizontal direction of the welded plate and (b) vertical direction.
  • Figure 4.10 Normal (σ33) stresses in (a) horizontal direction of the welded plate and (b) vertical direction.
  • Figure 4.11 von Mises stress measurements in (a) horizontal direction of the welded plate and (b) vertical direction.
  • Figure 4.12 Intermediate plots for in-plane longitudinal (σ11) stresses in (a-c) horizontal direction of the welded plate and (d-e) vertical direction, respectively.
  • Figure 4.13 Intermediate plots for in-plane transversal (σ22) stresses in (a-c) horizontal direction of the welded plate and (d-e) vertical direction, respectively.
  • Figure 4.14 Intermediate plots for normal (σ33) stresses in (a-c) horizontal direction of the welded plate and (d-e) vertical direction, respectively.
  • Figure 5.1 Coupled problem for resistance spot welding.
  • Figure 5.2 ABAQUS coupled thermo-electrical calculation of resistance spot welding.
  • Figure 5.3 ABAQUS and experimental results.
  • Figure 5.4 Isotropic (alpha=0) and kinematic hardening (kappa=0) schematic.
  • Figure 5.5 Weld parameter development (current and force traces) with corresponding microstructures for “nominal “high” and “low” conditions.
  • Figure 5.6 Current versus time for entire welding, annealing and cooling cycle.
  • Figure 5.7 Force versus time for entire welding, annealing and cooling cycle.
  • Figure 5.8 Electron back scatter diffraction grain size illustration and computer simulation (using COMSOL) temperature plots.
  • Figure 5.9 Stress distribution in y-z and x-z planes respectively.
  • Figure 5.10 Isometric view with temperature distribution.

7. 결론:

본 연구는 6061-T6 알루미늄 합금의 저항 점용접 공정 파라미터가 용접 조인트의 품질에 지대한 영향을 미친다는 것을 실험적으로 규명했습니다. 최적의 전류, 가압력, 시간은 반복적인 실험을 통해 결정되었으며, “공칭” 및 “고” 용접 조건은 군사 규격(MIL-W-6858D)을 충족했습니다.

  • 프로파일 측정: 용접 전류가 클수록 압흔이 깊어지며, 이는 표면 품질과 직결됩니다.
  • 정적/동적 시험: 용접 파라미터가 올바르게 설정되면 일관된 정적 파단 하중을 얻을 수 있습니다. 피로 수명은 용접 전류에 크게 좌우되며, 특히 “저” 조건에서는 수명이 한 자릿수 이상 감소하는 극적인 변화를 보였습니다.
  • 미세구조: EBSD 분석을 통해 용접 파라미터와 결정립 크기 및 방향성 간의 강한 상관관계를 확인했습니다. 낮은 열 입력은 불균일한 미세구조와 약한 용접부를, “공칭” 및 “고” 조건은 용접 영역 간 부드러운 전이와 높은 파단 하중을 보였습니다.
  • 잔류 응력: 중성자 회절을 통해 3차원 잔류 응력을 성공적으로 측정했으며, 응력 값은 모재 항복 강도의 절반 이하였습니다. 특히 두께 방향의 수직 응력이 미미하여, 향후 연구에서 X-선 회절과 같은 보다 저렴한 2D 측정 기법을 활용할 수 있는 가능성을 열었습니다.

이 연구 결과는 6061-T6 알루미늄 합금 저항 점용접 데이터베이스를 확장하는 데 기여하며, 학계와 산업계 모두에 가치 있는 정보를 제공합니다.

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전문가 Q&A: 궁금증 해소

Q1: 잔류 응력 측정을 위해 일반적인 X선 회절(XRD) 대신 중성자 회절을 선택한 특별한 이유가 있나요?

A1: 네, 그렇습니다. X선 회절은 시편 표면의 수 마이크론 깊이 정보만 얻을 수 있는 표면 분석 기법입니다. 반면, 중성자는 투과력이 매우 뛰어나 수 센티미터 두께의 금속 재료 내부까지 분석할 수 있습니다. 이 연구에서는 용접 너겟 전체에 걸친 3차원적인 “벌크” 잔류 응력 분포를 비파괴적으로 측정하는 것이 목표였기 때문에, 재료 내부 깊은 곳까지 측정이 가능한 중성자 회절이 필수적이었습니다.

Q2: 연구에서 사용된 “공칭(nominal)” 용접 조건의 파라미터는 어떻게 결정되었나요?

A2: “공칭” 조건은 여러 차례의 반복적인 예비 실험을 통해 결정되었습니다. 목표는 군사 규격인 MIL-W-6858D를 충족하거나 초과하는 것이었습니다. 이 규격은 최소 너겟 직경 5.7mm와 최소 전단 하중 3.8kN을 요구합니다. 연구팀은 전류, 가압력, 시간 등을 조절하며 시험 용접과 파괴 시험을 반복하여 이 기준을 안정적으로 만족하는 최적의 파라미터 조합을 찾아냈고, 이를 “공칭” 조건으로 정의했습니다.

Q3: 그림 3.8을 보면 “공칭” 조건과 “고” 조건의 피로 수명은 비슷한데, 정적 강도는 “고” 조건이 더 높습니다. 이것은 무엇을 의미하나요?

A3: 이는 매우 흥미로운 결과로, 정적 강도와 피로 성능이 항상 비례하지는 않는다는 것을 보여줍니다. “고” 조건처럼 과도한 전류는 정적 강도를 높일 수는 있지만, 동시에 더 큰 압흔으로 인한 응력 집중, 미세 균열이나 기공과 같은 결함 발생 가능성 증가, 불리한 잔류 응력 분포 형성 등의 부작용을 낳을 수 있습니다. 이러한 요인들이 복합적으로 작용하여 주기적인 하중 하에서는 “공칭” 조건에 비해 피로 성능상의 이점을 상쇄시킨 것으로 해석할 수 있습니다.

Q4: 용접 사이클에서 후열(post-heating) 단계를 포함시킨 목적은 무엇인가요?

A4: 후열 단계는 특히 알루미늄 합금 용접에서 매우 중요합니다. 주 용접 단계에서 고전류로 인해 용융된 금속이 급격히 냉각되면 수축으로 인한 기공이나 균열이 발생하기 쉽습니다. 후열 단계에서는 주 용접보다 낮은 전류와 높은 가압력을 일정 시간 유지하여 용융된 너겟이 서서히 응고되도록 돕습니다. 이는 용접부의 미세구조를 개선하고, 내부 결함을 줄여 결과적으로 더 건전하고 신뢰성 있는 용접부를 만드는 역할을 합니다.

Q5: COMSOL 시뮬레이션(그림 5.8)이 EBSD 스캔 결과와 좋은 상관관계를 보였는데, 시뮬레이션에서 재료의 복잡한 거동은 어떻게 구현되었나요?

A5: 시뮬레이션에서는 재료의 비선형적이고 온도에 의존적인 거동을 모사하기 위해 Bammann 내부 상태 변수(BCJ) 구성 모델이 사용되었습니다. 이 모델은 항복, 경화(hardening), 회복(recovery)과 같은 복잡한 비탄성 거동을 수학적으로 표현합니다. 연구팀은 COMSOL의 수학 모듈(ODE 및 DAE 인터페이스)을 활용하여 이 구성 방정식을 직접 구현했으며, 이를 통해 열, 전기, 기계적 현상이 상호작용하는 다중물리 문제를 하나의 통합된 모델로 해석할 수 있었습니다.


결론: 더 높은 품질과 생산성을 향한 길

이 연구는 6061-T6 알루미늄 저항 점용접이라는 복잡한 공정에서 용접 전류와 같은 핵심 파라미터가 미세구조, 잔류 응력, 그리고 최종적인 기계적 성능에 얼마나 지대한 영향을 미치는지를 명확히 보여주었습니다. 최적의 “공칭” 조건을 설정함으로써 군사 규격을 만족하는 동시에 우수한 피로 수명을 확보할 수 있었으며, 이는 정밀한 공정 제어의 중요성을 다시 한번 강조합니다.

특히, 다중물리 시뮬레이션이 실험으로 관찰된 온도 분포 및 미세구조 변화와 높은 상관관계를 보인 것은 매우 고무적입니다. 이는 CAE가 더 이상 단순한 형상 분석 도구가 아니라, 복잡한 제조 공정의 내부를 들여다보고 최적화할 수 있는 강력한 무기임을 증명합니다. R&D 및 운영팀은 이러한 시뮬레이션 기술을 활용하여 값비싼 물리적 테스트를 최소화하고, 개발 기간을 단축하며, 더 높은 품질과 생산성을 달성할 수 있습니다.

(주)에스티아이씨앤디에서는 고객이 수치해석을 직접 수행하고 싶지만 경험이 없거나, 시간이 없어서 용역을 통해 수치해석 결과를 얻고자 하는 경우 전문 엔지니어를 통해 CFD consulting services를 제공합니다. 귀하께서 당면하고 있는 연구프로젝트를 최소의 비용으로, 최적의 해결방안을 찾을 수 있도록 지원합니다.

  • 연락처 : 02-2026-0450
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저작권 정보

  • 이 콘텐츠는 Radu Stefanel Florea의 논문 “Experiments and Simulation for 6061-T6 Aluminum Alloy Resistance Spot Welded Lap Joints”를 기반으로 한 요약 및 분석 자료입니다.
  • 출처: https://scholarsjunction.msstate.edu/td/2153

이 자료는 정보 제공 목적으로만 사용됩니다. 무단 상업적 사용을 금지합니다. Copyright © 2025 STI C&D. All rights reserved.

위분류 금형 설계안의 3차원 모델

대형 캔틸레버 알루미늄 프로파일 압출: 위분류 금형 설계로 금형 강도와 제품 품질을 동시에 해결하는 방법

이 기술 요약은 SUN Xuemei, ZHAO Guoqun이 JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING에 발표한 논문 “Fake Porthole Extrusion Die Structure Design and Strength Analysis for Cantilever Aluminum Alloy Profiles”을 기반으로 하며, (주)에스티아이씨앤디의 기술 전문가에 의해 분석 및 요약되었습니다.

키워드

  • Primary Keyword: 위분류 압출 금형 (Fake Porthole Extrusion Die)
  • Secondary Keywords: 캔틸레버 알루미늄 프로파일, 압출 금형 설계, 금형 강도 해석, CFD 시뮬레이션, 재료 유동 최적화

Executive Summary

  • 도전 과제: 크고 긴 캔틸레버 형상의 알루미늄 프로파일을 압출할 때, 기존의 평금형이나 유도 금형은 캔틸레버 부분에 가해지는 높은 응력으로 인해 쉽게 손상되거나 파손됩니다.
  • 해결 방법: 본 연구에서는 수치 해석 시뮬레이션을 통해 기존의 일반 유도 금형 설계와 새로운 ‘위분류(Fake Porthole) 금형’ 설계를 비교 분석하여 재료 유동, 온도 분포 및 금형 강도를 평가했습니다.
  • 핵심 돌파구: 위분류 금형 설계를 적용했을 때, 금형에 가해지는 최대 등가 응력이 기존 1,852 MPa에서 891 MPa로 51.9%나 감소하여 금형의 강도를 획기적으로 확보했습니다.
  • 핵심 결론: 위분류 금형 구조는 복잡한 캔틸레버 프로파일 압출 시 금형의 수명을 보장하고, 구조 최적화를 통해 우수한 제품 품질까지 달성할 수 있는 매우 효과적인 설계 솔루션입니다.

도전 과제: 이 연구가 CFD 전문가에게 중요한 이유

자동차, 항공우주, 건축 등 다양한 산업에서 크고 복잡한 단면을 가진 알루미OUS 프로파일의 수요가 급증하고 있습니다. 특히, 길고 얇은 캔틸레버(외팔보) 구조를 포함하는 프로파일은 압출 공정이 매우 까다롭습니다.

기존의 평금형(flat die)이나 유도 금형(diversion die)을 사용하면 압출 과정에서 금형의 캔틸레버 부분에 엄청난 응력이 집중됩니다. 이로 인해 금형이 소성 변형되거나 파손되어 생산성이 저하되고 금형 교체 비용이 증가하는 문제가 발생합니다. 단순히 금형의 두께를 늘리는 것만으로는 이 문제를 근본적으로 해결하기 어렵습니다. 따라서, 제품의 품질을 보장하면서 동시에 금형의 강도와 수명을 확보할 수 있는 혁신적인 금형 설계 기술이 절실히 요구되었습니다.

접근 방식: 연구 방법론 분석

본 연구는 특정 대형 캔틸레버 알루미늄 프로파일(그림 1)을 대상으로 두 가지 다른 금형 설계 방식의 성능을 수치적으로 비교 분석했습니다.

  • 설계 비교:
    1. 일반 유도 금형 (Conventional Diversion Die): 일반적인 압출 공정에 사용되는 표준 설계 방식입니다 (그림 2).
    2. 위분류 금형 (Fake Porthole Die): 중공 프로파일 압출에 사용되는 포트홀 금형의 원리를 차용하여, 상부 금형에 맨드릴과 유사한 코어 구조를 두어 캔틸레버 부분의 하중을 분산시키는 새로운 설계 방식입니다 (그림 8).
  • 시뮬레이션: 상용 해석 소프트웨어인 HyperXtrude를 사용하여 압출 공정을 시뮬레이션했습니다.
    • 재료: 압출재는 AA6063 알루미늄 합금, 금형 재료는 H13 공구강을 사용했습니다.
    • 공정 조건: 빌렛 초기 온도 450°C, 금형 초기 온도 420°C, 압출 속도 1 mm/s 등 실제 생산 조건을 모사한 경계 조건을 설정했습니다 (표 4).
  • 평가 지표:
    • 제품 품질: 금형 출구에서 프로파일 단면의 속도 분포 균일성(속도 표준편차, SDV)을 평가했습니다.
    • 금형 강도: 압출 중 금형에 발생하는 최대 등가 응력(von Mises stress)을 분석하여 H13 강재의 항복 강도(1,020 MPa)와 비교했습니다.

핵심 돌파구: 주요 연구 결과 및 데이터

결과 1: 일반 유도 금형, 강도 한계 노출

일반 유도 금형으로 시뮬레이션한 결과, 프로파일의 속도 분포는 비교적 균일(SDV = 1.37 mm/s)하여 제품 형상 품질은 양호할 것으로 예측되었습니다(그림 5).

하지만 금형 응력 분석 결과, 최대 등가 응력이 1,852 MPa에 달하는 것으로 나타났습니다(그림 6). 이는 금형 재료인 H13의 항복 강도(1,020 MPa)를 훨씬 초과하는 수치로, 실제 생산 시 금형이 파손될 위험이 매우 높다는 것을 의미합니다.

알루미늄 합금 프로파일의 단면 치수와 형상
알루미늄 합금 프로파일의 단면 치수와 형상

결과 2: 위분류 금형, 강도 문제 해결 및 품질 최적화

초기 위분류 금형 설계: 위분류 금형을 적용하자 금형의 최대 등가 응력은 891 MPa로 급격히 감소했습니다(그림 11). 이는 항복 강도 이하의 안전한 수치로, 기존 설계 대비 51.9%나 응력을 줄여 금형의 내구성을 획기적으로 개선했음을 보여줍니다. 그러나 이때 프로파일 출구 속도의 균일성이 저하되어 SDV가 1.98 mm/s로 증가하는 문제가 발생했습니다.

최적화된 위분류 금형 설계: 재료 유동을 개선하기 위해 2차 용접 챔버(secondary welding chamber)를 추가하는 구조 최적화를 진행했습니다(그림 12). 그 결과, 금형의 최대 등가 응력은 850.6 MPa로 여전히 낮은 수준을 유지하면서(그림 14), 프로파일 출구 속도의 균일성은 크게 향상되어 SDV가 0.69 mm/s까지 감소했습니다(그림 13). 이는 금형의 강도와 제품의 품질을 모두 만족시키는 최적의 설계임을 입증합니다.

위분류 금형 설계안의 3차원 모델
위분류 금형 설계안의 3차원 모델

R&D 및 운영을 위한 실질적 시사점

  • 공정 엔지니어: 이 연구는 복잡한 캔틸레버 프로파일 압출 시 위분류 금형 구조가 금형 파손을 방지하고 안정적인 생산을 가능하게 하는 효과적인 대안임을 보여줍니다. 특히 2차 용접 챔버와 같은 유동 제어 구조를 추가하면 재료 유동을 최적화하여 품질을 높일 수 있습니다.
  • 품질 관리팀: 논문의 그림 5, 10, 13에서 제시된 속도 분포 데이터는 금형 설계가 최종 제품의 형상 정밀도에 얼마나 직접적인 영향을 미치는지 명확히 보여줍니다. 출구 속도 균일성(SDV)은 프로파일의 뒤틀림이나 변형을 예측하는 핵심 품질 지표로 활용될 수 있습니다.
  • 설계 엔지니어: 이 연구의 핵심은 고체 프로파일임에도 불구하고 중공 프로파일용 포트홀 금형의 개념을 창의적으로 적용한 것입니다. 즉, 금형의 코어(상부 금형)가 하중을 분담하게 하여 취약한 캔틸레버(하부 금형)를 보호하는 원리는 다른 복잡한 형상의 금형 설계에도 영감을 줄 수 있는 중요한 설계 원칙입니다.

논문 상세 정보


悬臂铝合金型材伪分流挤压模具 结构设计及其强度分析 (캔틸레버 알루미늄 합금 프로파일용 위분류 압출 금형의 구조 설계 및 강도 분석)

1. 개요:

  • 제목: Fake Porthole Extrusion Die Structure Design and Strength Analysis for Cantilever Aluminum Alloy Profiles
  • 저자: SUN Xuemei, ZHAO Guoqun
  • 발행 연도: 2013
  • 학술지/학회: JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING, Vol.49 No.24
  • 키워드: 위분류 금형, 형재 품질, 금형 강도 (Fake porthole die, Product quality, Die strength)

2. 초록:

알루미늄 프로파일 압출 공정과 금형 설계는 제품 품질뿐만 아니라 금형의 강도와 수명도 보장해야 한다. 그러나 크고 긴 캔틸레버 알루미늄 프로파일의 경우, 기존의 평금형이나 유도 금형 설계는 종종 금형의 캔틸레버 부분 파손을 유발한다. 해당 부위의 금형 두께를 늘리더라도 금형 강도 요구사항을 충족하기 어렵다. 본 논문은 대형 캔틸레버 알루미늄 프로파일을 예로 들어, 위분류 금형 설계 방법과 캔틸레버 분해 기술을 연구했다. 일반 금형과 위분류 금형 설계가 프로파일 압출 속도 분포, 온도 분포, 재료 입자 이동 경로 등에 미치는 영향을 비교 분석하고, 각기 다른 구조의 금형 강도를 연구했다. 연구 결과, 위분류 금형을 사용하면 금형 응력을 크게 낮출 수 있을 뿐만 아니라, 재료 유동 최적화를 통해 양호한 재료 유동 패턴과 제품 품질을 얻을 수 있음을 확인했다. 이를 바탕으로 위분류 구조의 설계 원칙을 제시했다.

3. 서론:

알루미늄 합금 프로파일은 자동차, 선박, 고속철도, 항공우주, 건축 등 다양한 산업 분야에서 널리 사용되며, 대형화, 복잡화, 정밀화, 다품종화 추세에 있다. 복잡한 대단면 프로파일의 압출 공정 및 금형 설계에 대해 최근 많은 연구가 수치 해석을 통해 이루어지고 있다. 연구들은 주로 압출 과정에서의 온도, 속도 분포 예측, 금형 출구 속도 균일성 제어, 금형 응력 분포 및 변형 예측에 초점을 맞추고 있다. 그러나 크고 긴 캔틸레버 형상의 프로파일 수요가 증가하면서, 기존 설계 방식으로는 금형 강도 확보가 어려운 문제가 대두되었다. 금형을 두껍게 만들어도 재료비만 증가할 뿐 강도 향상에는 한계가 있어, 새로운 특수 금형 설계가 시급한 실정이다.

4. 연구 요약:

연구 주제의 배경:

대형/장척 캔틸레버 알루미늄 프로파일의 산업적 수요는 증가하고 있으나, 기존의 압출 금형 설계 방식(평금형, 유도 금형)으로는 캔틸레버 부분의 응력 집중으로 인한 금형 파손 문제를 해결하기 어렵다.

이전 연구 현황:

이전 연구들은 주로 일반적인 프로파일의 압출 공정 시뮬레이션, 재료 유동 최적화, 결함 예측에 집중되어 있었다. 대형 캔틸레버 프로파일의 금형 강도 문제를 근본적으로 해결하기 위한 특수 금형 구조에 대한 연구는 부족했다.

연구 목적:

대형 캔틸레버 알루미늄 프로파일 압출 시, 제품 품질과 금형 강도를 동시에 만족시킬 수 있는 새로운 ‘위분류(Fake Porthole) 금형’ 구조를 제안하고, 그 유효성을 수치 해석을 통해 검증하고자 한다.

핵심 연구:

  1. 일반 유도 금형과 위분류 금형의 두 가지 설계안을 제시.
  2. 수치 시뮬레이션을 통해 각 설계안에 대한 압출 공정을 해석하여 프로파일의 속도 분포, 온도 분포, 재료 유동을 비교.
  3. 두 금형의 응력 분포를 분석하여 강도를 평가하고, 위분류 금형의 우수성을 입증.
  4. 위분류 금형의 유동 균일성을 개선하기 위한 구조 최적화(2차 용접 챔버 추가)를 수행하고 그 효과를 검증.

5. 연구 방법론

연구 설계:

비교 연구 설계를 채택하여, 동일한 캔틸레버 프로파일에 대해 ‘일반 유도 금형’과 ‘위분류 금형’이라는 두 가지 독립 변수가 종속 변수(프로파일 품질, 금형 응력)에 미치는 영향을 분석했다.

데이터 수집 및 분석 방법:

  • 데이터 수집: 유한 요소 해석 소프트웨어 HyperXtrude를 사용하여 압출 공정 시뮬레이션을 수행하고, 속도, 온도, 응력 등의 데이터를 수집했다.
  • 데이터 분석: 프로파일 단면의 속도 표준편차(SDV)를 계산하여 유동 균일성을 정량적으로 평가하고, 금형의 최대 등가 응력 값을 재료의 항복 강도와 비교하여 안전성을 판단했다.

연구 주제 및 범위:

본 연구는 벽 두께 0.8mm의 특정 대형 캔틸레버 알루미늄 프로파일(AA6063) 압출 공정에 국한된다. 금형 재료는 H13을 사용했으며, 제시된 특정 공정 조건 하에서 금형의 구조적 설계 차이에 따른 성능 변화를 분석하는 데 초점을 맞췄다.

6. 주요 결과:

주요 결과:

  • 일반 유도 금형은 양호한 유동 균일성(SDV=1.37 mm/s)을 보였으나, 최대 등가 응력이 1,852 MPa로 항복 강도(1,020 MPa)를 초과하여 강도 부족 문제를 보였다.
  • 위분류 금형은 최대 등가 응력을 891 MPa로 51.9% 감소시켜 강도 문제를 해결했으나, 초기 설계에서는 유동 균일성이 저하(SDV=1.98 mm/s)되었다.
  • 2차 용접 챔버를 추가하여 최적화된 위분류 금형은 낮은 응력(850.6 MPa)을 유지하면서 유동 균일성을 대폭 개선(SDV=0.69 mm/s)하여, 금형 강도와 제품 품질 목표를 모두 달성했다.

그림 목록:

  • 图1 铝合金型材的截面尺寸与形状 (알루미늄 합금 프로파일의 단면 치수와 형상)
  • 图2 常规方法设计的挤压模具 (일반적인 방법으로 설계된 압출 금형)
  • 图3 建立的数值模拟模型 (수립된 수치 해석 모델)
  • 图4 边界条件的设定 (경계 조건 설정)
  • 图5 导流模具设计方案中型材截面的速度分布图 (유도 금형 설계안의 프로파일 단면 속도 분포도)
  • 图6 导流模具等效应力分布图 (유도 금형 등가 응력 분포도)
  • 图7 两种模具设计方案的下模空刀设计图 (두 가지 금형 설계안의 하부 금형 공구 설계도)
  • 图8 伪分流模具设计方案的三维模型 (위분류 금형 설계안의 3차원 모델)
  • 图9 伪分流模具数值分析模型 (위분류 금형 수치 해석 모델)
  • 图10 伪分流模具的挤压型材截面的速度分布图 (위분류 금형의 압출 프로파일 단면 속도 분포도)
  • 图11 模具等效应力分布图 (금형 등가 응력 분포도)
  • 图12 下模的二级焊合室设计 (하부 금형의 2차 용접 챔버 설계)
  • 图13 伪分流模具优化后型材速度分布图 (위분류 금형 최적화 후 프로파일 속도 분포도)
  • 图14 优化后伪分流模具等效应力分布图 (최적화 후 위분류 금형 등가 응력 분포도)

7. 결론:

본 연구는 대형 캔틸레버 알루미늄 프로파일 압출을 위해 일반 유도 금형과 위분류 금형을 설계하고 수치 해석을 통해 비교 분석했다.

  1. 일반 유도 금형: 제품의 형상 품질은 만족시킬 수 있으나, 금형에 가해지는 응력이 과도하여 실제 생산에 적용하기 어렵다.
  2. 위분류 금형: 금형의 등가 응력을 획기적으로 낮춰(1,852 MPa → 891 MPa) 금형의 수명과 안정성을 크게 향상시킬 수 있다.
  3. 최적화된 위분류 금형: 2차 용접 챔버를 추가함으로써, 프로파일 단면의 속도 균일성을 크게 개선(SDV 1.98 → 0.69 mm/s)하여 재료 유동을 최적화했다.
  4. 최종 결론: 위분류 금형 구조는 대형 캔틸레버 프로파일 압출 시 금형 강도를 확보하고, 후속 최적화를 통해 우수한 제품 품질까지 달성할 수 있는 매우 효과적이고 실용적인 설계 방안이다.

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전문가 Q&A: 핵심 질문과 답변

Q1: 고체 프로파일 압출에 중공 프로파일용 포트홀 금형의 원리를 적용한 이유는 무엇인가요?

A1: 이 설계의 핵심 아이디어는 ‘하중 분산’입니다. 일반 금형에서는 압출 하중이 얇고 긴 캔틸레버 부분에 집중되어 파손을 유발합니다. 위분류 금형은 상부 금형에 코어(core) 구조를 만들어 하중의 일부를 분담하게 합니다. 이 코어가 마치 중공 프로파일 금형의 맨드릴(mandrel)처럼 작용하여, 하부 금형의 캔틸레버에 가해지는 응력을 효과적으로 분산시키므로 고체 프로파일의 강도 문제를 해결하기 위해 창의적으로 도입된 방식입니다.

Q2: 초기 위분류 금형에서 속도 균일성이 저하된 이유는 무엇이며, 2차 용접 챔버는 이를 어떻게 개선했나요?

A2: 초기 위분류 금형에서는 재료가 상부 금형의 코어 구조를 피해 여러 갈래로 나뉘었다가 다시 합쳐지는 복잡한 유동 경로를 거칩니다. 이 과정에서 각 경로의 유동 저항 차이로 인해 속도 불균일이 발생합니다. 2차 용접 챔버는 금형 출구 직전에 재료가 다시 합쳐지고 안정화될 수 있는 공간을 제공합니다. 이 공간에서 재료의 압력과 속도가 재분배되어 균일해진 상태로 최종 프로파일이 형성되므로, 속도 균일성(SDV)이 1.98 mm/s에서 0.69 mm/s로 크게 개선될 수 있었습니다.

Q3: 금형 응력이 51.9% 감소한 것은 실제 생산 현장에서 어떤 의미를 가지나요?

A3: 이는 금형의 수명과 직결되는 매우 중요한 결과입니다. 최대 응력이 재료의 항복 강도(1,020 MPa)를 초과하는 1,852 MPa에서 항복 강도 이하인 891 MPa로 감소했다는 것은, 금형이 소성 변형이나 파손 없이 반복적인 압출 작업을 견딜 수 있게 되었음을 의미합니다. 이는 금형 교체 주기를 늘리고, 예기치 않은 생산 중단을 방지하여 전체적인 생산 비용 절감과 안정성 향상에 크게 기여합니다.

Q4: 본 연구에서는 금형 구조에 초점을 맞췄는데, 압출 속도나 온도 같은 공정 변수도 결과에 영향을 미치지 않을까요?

A4: 물론입니다. 압출 속도, 빌렛 및 금형 온도는 재료의 유동성과 금형에 가해지는 압력에 큰 영향을 미칩니다. 본 연구에서는 이러한 공정 변수들을 표 4와 같이 고정하고 순수하게 금형 구조의 영향만을 비교 분석했습니다. 실제 생산에서는 최적화된 위분류 금형 구조를 기반으로, 추가적인 시뮬레이션이나 실험을 통해 최적의 공정 변수 조합을 찾아냄으로써 생산성과 품질을 더욱 향상시킬 수 있습니다.

Q5: 위분류 금형 설계는 모든 종류의 캔틸레버 프로파일에 적용할 수 있나요?

A5: 위분류 금형은 특히 캔틸레버가 크고 길어 기존 설계로는 강도 확보가 어려운 경우에 매우 효과적인 솔루션입니다. 캔틸레버의 형상, 크기, 그리고 전체 프로파일의 복잡성에 따라 코어의 형상, 크기, 위치 및 2차 용접 챔버의 설계 등을 맞춤형으로 최적화해야 합니다. 따라서 이 연구에서 제시된 설계 원칙은 다양한 캔틸레버 프로파일에 적용될 수 있는 강력한 기본 틀을 제공한다고 볼 수 있습니다.


결론: 더 높은 품질과 생산성을 향한 길

대형 캔틸레버 알루미늄 프로파일 압출 시 발생하는 금형 파손 문제는 생산 현장의 오랜 난제였습니다. 본 연구는 혁신적인 위분류 압출 금형 설계를 통해 이 문제를 해결할 수 있는 명확한 해법을 제시했습니다. 위분류 금형은 금형에 가해지는 응력을 획기적으로 낮춰 수명을 보장할 뿐만 아니라, 구조 최적화를 통해 재료 유동을 제어하여 최종 제품의 품질까지 확보할 수 있음을 입증했습니다.

(주)에스티아이씨앤디는 최신 산업 연구 결과를 적용하여 고객이 더 높은 생산성과 품질을 달성할 수 있도록 지원하는 데 전념하고 있습니다. 이 논문에서 논의된 과제가 귀사의 운영 목표와 일치한다면, 저희 엔지니어링 팀에 연락하여 이러한 원칙을 귀사의 부품에 어떻게 구현할 수 있는지 논의해 보십시오.

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저작권 정보

  • 이 콘텐츠는 “SUN Xuemei” 외 저자의 논문 “Fake Porthole Extrusion Die Structure Design and Strength Analysis for Cantilever Aluminum Alloy Profiles”을 기반으로 한 요약 및 분석 자료입니다.
  • 출처: https://doi.org/10.3901/JME.2013.24.039

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Concrete 3D Printing

Computational fluid dynamics modelling and experimental analysis of reinforcement bar integration in 3D concrete printing

3D 콘크리트 프린팅에서 철근 통합에 대한 전산 유체 역학 모델링 및 실험적 분석

Md Tusher Mollah, Raphaël Comminal, Wilson Ricardo Leal da Silva, Berin Šeta, Jon Spangenberg

Abstract


A challenge for 3D Concrete Printing is to incorporate reinforcement bars without compromising the concrete-rebar bonding. In this paper, a Computational Fluid Dynamics (CFD) model is used to analyze the deposition of concrete around pre-installed rebars. The concrete is modelled with a yield-stress dependent elasto-viscoplastic constitutive model. The simulated cross-sections of the deposited layers are compared with experiments under different configurations and rebar sizes, and found capable of capturing the air void formation with high accuracy. This proves model robustness and provides a tool for running digital experiments prior to full-scale tests. Additionally, the model is employed to conduct a parametric study under three different rebar-configurations: i) no-rebar; ii) horizontal rebar; and iii) cross-shaped (horizontal and vertical) rebars. The results illustrate that air voids can be eliminated in all investigated cases by changing the toolpath, process parameters, and rebar joint geometry, which emphasizes the great potential of the digital model.

Keywords


3D Concrete Printing (3DCP); Reinforcement bars (rebars); Computational Fluid Dynamics (CFD); Multilayer deposition; Air voids

1. Introduction


3D Concrete Printing (3DCP) [1] is an extrusion-based automated construction process that belongs to Digital Fabrication with Concrete (DFC) [2,3]. The 3DCP offers high-quality built-structures with customizable structural design in a cost- and time-efficient manner [[4], [5], [6], [7]]. Structures in 3DCP are fabricated in a layer-by-layer approach, where a concrete extrusion nozzle is controlled by a robotic arm, cylindrical robot, gantry system, or delta system [[8], [9], [10], [11]]. Despite the enormous potential of 3DCP, one of its crucial limitations is the integration of reinforcement for the production of load-bearing structures.
Most structural applications require the use of reinforcement to withstand tensile forces and introduce structural ductility [[12], [13], [14], [15]]. However, the introduction of reinforcement with 3DCP has never been an easy task, and difficulties were recognized at early stages of the technology [4] and various design solutions have been tested in practice to either circumvent the need for reinforcement or integrate reinforcement after the concrete is printed [[16], [17], [18], [19], [20]]. As a result, several reinforcement techniques have been proposed, such as bar reinforcement [21], micro-cable reinforcement [22,23], fiber reinforcement into the cementitious material [[24], [25], [26]], steel reinforcement using robotic arc welding [27,28], and in-process mesh reinforcement [29]. For comprehensive details on the reinforcement strategies, refer to [30]. Nevertheless, these reinforcement strategies are still rudimentary in many instances.
This study focuses on bar reinforcement methods, where rebars are integrated with freshly deposited cementitious material. A few approaches can be found in the literature, for example, penetration of vertical bars through multiple printed layers [31,32], placement of horizontal bars into a printed layer along the printing direction and then covered by the next layer on top [33,34], and depositing around pre-installed bi-directional rebars [35]. However, in most approaches, the bonding between the rebar and concrete was compromised by the air void around the rebar [21,36]. To overcome this constraint, a large amount of trial and error is required, which is costly and time-consuming.
An approach to mitigate extensive experimental campaigns is to apply numerical models. In the context of 3D printing technologies, like Fused Filament Fabrication (FFF), Robocasting, and 3DCP, CFD modelling has been found to be very beneficial [[37], [38], [39], [40], [41], [42], [43], [44]]. The morphology of the deposited strands in FFF was studied by Comminal et al. [45]. Furthermore, Serdeczny et al. [46] addressed how to reduce the porosities and enhance the bonding between subsequent layers. Mollah et al. [[47], [48], [49]] studied ways to minimize the deformation and thereby stabilize layers printed by Robocasting, while for 3DCP, the geometrical shapes of the single- and multiple-deposited layers have been investigated in detail in [[50], [51], [52]].
This paper uses the CFD model and extends the preliminary results recently published in [53]. The model uses elasto-viscoplastic constitutive equations to approximate the rheology of the concrete. The CFD model is validated by comparison with a number of experiments, and the model is subsequently exploited to make an in-depth analysis of air void formation between rebars and concrete using the cross-sections of the deposited part and the calculated volume fraction of air voids. Different material properties, such as yield stress and plastic viscosity, and processing parameters, like the rebar diameter, nozzle-rebar distance, a geometric ratio (i.e., the distance from nozzle to the substrate divided by the nozzle diameter), as well as a speed ratio (i.e., the printing speed divided by the extrusion speed) are varied. Section 2 describes the methodology of the study, along with the experimental and numerical details. Next, Section 3 presents and discusses the results. Finally, Section 4 summarizes the results with the conclusion.

2. Methodology

2.1. Materials’ properties and 3DCP experiments

A fresh cement-based mortar was used to perform the 3DCP experiment around the rebars. The mortar includes a binder system with white cement CEM I 52.5 R-SR 5 (EA), limestone filler with sand of maximum particle size 0.5 mm, admixtures, and water. The binder was prepared with a 75 L Eirich Intensive Mixer Type Ro8W. The water to cement ratio was 0.39. The admixtures dosage (by weight of cement) was set at 0.1 % high-range water-reducing agent, 0.1 % viscosity-modifying agent, and 0.5 % hydration retarder.

The rheological characterization of the mortar was done using an Anton Paar rheometer MCR 502, as used in [50,54]. The rotational and oscillatory tests were performed with a vane-in-cup measuring device. The obtained flow curve of the mortar from the rotational rheometric tests, with a ramp-down controlled shear rate (CSR), was fitted by a linear regression to determine the yield stress τ0= 630 Pa and plastic viscosity ηP= 7.5 Pa·s. The oscillatory test showed that the constitutive behavior of the unyielded mortar had a factorized relationship between the storage modulus G′ and loss modulus G′′ within the linear viscoelastic (LVE) region, where G′= 200 kPa was captured. Therefore, the mortar’s rheology was modelled as a yield stress limited elasto-viscoplastic material, where the storage modulus is used as the linear elastic shear modulus of the unyielded mortar. Furthermore, the rheological characterization showed that the mortar exhibited time-independent rheological characteristics within the actual printing process, see [50] for more details.

The setup for 3DCP experiments around ribbed rebars is presented in Fig. 1. It comprised a 6-axis industrial robot (Fanuc R-2000iC/165F) with a custom-designed nozzle ∅20 mm (i.e., nozzle diameter, Dn= 20 mm) made by fused filament fabrication of ABS thermoplastic, cf. Fig. 1-a. The robot also included a progressive cavity pump (NETZSCH) equipped with a hopper and a long steel-wire rubber hose (cf. Refs. [50, 52] for details). A 25 mm thick plywood plate was used as the built substrate as seen in Fig. 1-b. The 1000 mm long rebars of diameter Dr= 8 and 12 mm were placed horizontally on top of the substrate at a distance Hr= 14 mm. The horizontal rebars were held in place by two vertical rebars with a height of 37 mm. The setup was used to print a structure of four successive layers of parallel strands around the rebars. Details on the printing toolpath around the rebars are illustrated in the subsections below.

Fig. 1

Fig. 1. 3DCP experiment around rebars: (a) 6-axis robotic arm [50]; (b) plywood built platform with integrated rebars; (c) example of printing (picture is taken during printing of the third layer).

The extrusion nozzle was placed above the substrate with a nozzle height Dn/2 for the first layer, whereas for subsequent number of layers (Nl), the nozzle height was set at Nl∗Dn/2. Thus, the nominal height of a layer was h=Dn/2. The print was done with a material extrusion rate 0.91 dm3/min and nozzle speed 35 mm/s. An example of a physical print is presented in Fig. 1-c. After the prints hardened, cross-sections were collected to investigate the rebar-concrete bonding. The cross-section slices were taken at specific positions to analyze the print around the horizontal rebar and cross-shaped rebar (i.e., horizontal and vertical rebars). To avoid destroying the specimens while cutting them, the printed part were impregnated with epoxy resin in a vacuum chamber.

2.2. Computational models and governing equations

Three different CFD models are built. The first model only simulated the mortar flow to understand the void formation pattern without rebars. The last two models simulated the 3DCP experiment around rebars: one model simulated the mortar flow around the horizontal rebar, while the other considered the cross-shaped rebar. This subdivision enabled the CFD models to consider a smaller computational domain than if the two scenarios were combined.

The CFD models comprised a cylindrical nozzle, a solid-substrate, and an artificial solid component (at the top) within the computational domain of size 8.5D×6D×2D+4h as shown in Fig. 2 (top), where Model 1 excluded rebars (left), Model 2 included the horizontal rebar (middle), and Model 3 considered the cross-shaped rebar (right). The printing toolpath of the models are illustrated in Fig. 2. The toolpath for Models 1 and 2 are presented in 3D (left bottom figure), where the only difference was the presence of the horizontal rebar. The toolpath in 2D presented at the bottom right is for Model 3. For all the models, the toolpath of the extrusion nozzle kept a distance of Dnr from the axis of the nearest rebar. The lengths of the horizontal and vertical rebars were 50 and 40 mm, respectively. The other printing parameters were similar to the ones used in the experiment, cf. Section 2.1. Finally, the models were used to simulate four successive layers with a length of 125 mm. Note that the rebars are modelled as cylindrical solid objects (i.e., smooth rebar).

Fig. 2

Fig. 2. Model geometry with the extrusion nozzle, substrate, integrated rebars, and computational domain (top) and toolpath (bottom).

The computational domain was meshed by a uniform Cartesian grid. A mesh sensitivity test was performed for different meshes with cell sizes 0.9, 1.0, and 1.1 μm. Even if the change in absolute size of the cells were small, the total number of cells within the domain was 1.1, 1.5, and 2.0 million, respectively. A cell size of 1.0 μm was chosen as that was found to be time-efficient and had a negligible effect on the accuracy of the results. The top plane of the domain was an inlet boundary, where the artificial solid component was defined in order to prevent material flow outside the nozzle orifice, cf. Fig. 2 (top). On the bottom plane, a wall boundary was applied to represent the solid substrate. The other planes were assigned continuative boundary conditions, but had no influence on the results. Furthermore, no-slip boundary conditions were applied between fluids and solids.

Table 1 lists the printing parameters and their values for each of the investigated cases. All the models and cases are simulated for 4 successive layers.

Table 1. Description of case IDs with printing parameters and accompanying values. The reference values (corresponding to the experimental print) are written in bold, while the parameter change for each case is highlighted by underlining the value.

Empty CellModel/case ID
ParametersModel 1 (no rebar), Model 2 (horizontal rebar), and Model 3 (cross-shaped rebar)
Case 1
(reference)
Case 2Case 3Case 4Case 5Case 6Case 7Case 8Case 9
Nozzle diameter Dn (mm)202020202020202020
Rebar diameter Dr (mm)8612888888
Nozzle-rebar distance Dnr (mm)202020191820202020
Layer height h (mm)1010101010981010
Geometric ratio Gr=h/Dn0.50.50.50.50.50.450.40.50.5
Printing speed V (mm/s)353535353535353535
Extrusion speed U (mm/s)48.4248.4248.4248.4248.4248.4248.4251.4753.84
Speed ratio Sr=V/U0.720.720.720.720.720.720.720.680.65

The cementitious mortar flow was assumed transient and isothermal. Thus, the flow dynamics of the mortar are governed by the mass and momentum conservation equations of incompressible fluid:

where u is the velocity vector, ρ is the density, g=00−g is the gravitational acceleration vector, t is the time, p is the pressure, and σ is the deviatoric stress tensor.

The rheological behavior of the mortar was modelled by the following elasto-viscoplastic constitutive equation that represents σ as the sum of the deviatoric part of the viscous stress σV and elastic stress σE tensors; i.e.:

The deviatoric viscous stress tensor was predicted as:

is the deformation rate tensor, and T represents the transpose notation.

The deviatoric elastic stress tensor was modelled by the Hookean assumption of a small strain rate tensor E between each small time steps Δt=t−t0, to represent the elastic response of unyielded materials 

Ewhere G is the shear modulus and Et=Et0+ΔtDT is the incremental strain rate tensor approximated by integrating the deformation rate tensor over Δt.

The incremental representation of Eq. (5) can be written as:

 is the vorticity tensor. The first term of the left-hand side of Eq. (6) represents the change in stress at a fixed location in space. The change in stress due to advection and rotation of material particle is approximated by the second and third terms, respectively. The right-hand side takes into account the change in stress due to shearing.

The elastic stress tensor of the yielded material was approximated by imposing the yield stress τ0 limit as follows:

where σvM is the von Mises stress predicted as:

where IIσE∗=trσE∗2 is the second invariant of σE∗. The material was yielded when σvM exceeded the yield stress. The properties of the material used in the different models and cases are presented in Table 2. Note that the CFD model does not include the solidifications of the printed layers.

Table 2. Material properties.

Parameter with symbolUnitValueValue for reference simulation
Density, ρkg·m−321122112
Shear modulus, GkPa20–10020
Dynamic yield stress, τ0Pa400–800630
Plastic viscosity, ηPPa·s3.5–107.5

2.3. Numerical method

The computational model was developed in the commercial CFD tool FLOW-3D® (V12.0; Flow Science Inc.) [55]. It uses the FAVOR technique (Fractional Area/Volume Obstacle Representation) to embed solid objects (i.e., the nozzle, rebars, substrate, etc.) in the computational domain. The computational domain was meshed with a Cartesian grid and discretized with the Finite Volume Method.
The governing equations of the mortar flow were solved by the implicit pressure-velocity solver GMRES (Generalized Minimum Residual) [[56], [57], [58]]. The predictions of pressure and forces near solid objects were modelled by the immersed boundary method [59]. The yield stress limited elasto-viscoplastic criterion was built in the software, and the elastic stress was calculated explicitly. An implicit technique, successive under-relaxation, was used to solve the viscous stress of the momentum equation (Eq. (2)). The free surface of the mortar was captured by the Volume-of-Fluid technique, see details in Ref. [60, 61]. The momentum advection was calculated explicitly by an upwind-difference technique and ensured first-order accuracy. The time step size was controlled dynamically with a stability limit in order to avoid numerical instabilities [55]. All the simulations were run with 20 cores on a high-performance computing cluster. The study was carried out with a first-order accuracy in both space and time in order to reduce the computational time, which was extensive due to the elasto-viscoplastic material model that computes both viscous and elastic stresses (e.g., the computational time was six days for model 1 case 1). In this regard, one should note that the model can simulate a multitude of scenarios simultaneous.

2.4. Results post-processing

The simulated results were processed in two steps. The first step was to show the cross-sectional shapes which were done in the post-processing tool FLOW-3D®POST, and the second step was to calculate the volume fraction of air voids inside the printed structure. The cross-sectional shapes were used to investigate the interior of the structure and the rebar-concrete bonding. The cross-sectional shapes were obtained in the plane parallel to the yz-plane at the middle of the layer’s length, as shown in Fig. 3-d. Fig. 3-c sketches the nominal positions of the air void creation in a four-layered structure. The positions of the air voids were defined as outer-bottom, bottom, mid, top, and outer-top in this study. The presence of the air void was quantified by calculating the volume fraction of air voids around the middle of the layer’s length. The calculation enabled to capture the presence of air voids for Model 3, i.e., around the vertical rebar, as seen in the dashed-box of Fig. 3-b.

Fig. 3

Fig. 3. Post-processing of results; (a) introduction of volume sampling cuboid to calculate the volume fraction of air voids; (b) presence of air voids around the vertical rebar in the experiment; (c) schematic of air void creation; (d) cross-sectional shapes and void sampling area for the different models.

In order to calculate the volume fraction of air voids, a cuboid of size 20×25×3h mm3 was introduced to the CFD models as a volume sampling object, as seen in Fig. 3-a. Note that the size and position of the object were the same for all the models. The volume sampling was a three dimensional data collection tool built in the software that enabled calculating the amount of material as well as air void inside of it. Finally, the volume fraction of air voids VV was calculated as below:

3. Results and discussions

his section compares the simulated and experimental results of 3DCP around the rebars. Furthermore, it discusses the influence of different parameters on the air void formation in the cross-sectional shapes of printed parts and the volume fraction of air voids inside the structure. The parametric study includes the material properties (i.e., yield stress and plastic viscosity) and the printing properties (i.e., rebar diameter, rebar-nozzle distance, geometric ratio, and speed ratio).

3.1. Experiments and validation of the CFD model

The CFD models (Models 2 and 3) are compared and validated with the experiments. The results are presented in Fig. 4. Two rebar diameters, i.e., Dr= 8 and 12 mm, are taken into account, where the nozzle-rebar distances are 20 and 24 mm, respectively. The other printing and material parameters are kept constant in the experiments with different rebar diameters, see Table 1 (cases 1 and 3). In the case of the simulations, all parametric details are the same as implemented in the experiments except for the elastic shear modulus. The choice of shear modulus is subject to the analysis presented in Appendix A. The shear modulus is reduced to 100 kPa from the measured value (i.e., 200 kPa) to compare the simulated results with experiments. Furthermore, a shear modulus of 20 kPa is chosen for the parametric study in the later sections. These assumptions seem reasonable to avoid extensive computational time consumption since the differences found in void formation are limited (see Fig. A.1).

Fig. 4

Fig. 4. 3DCP experiments (left column), simulations (middle column), and comparison (right column). (a) Horizontal rebar with Dr= 8 mm and Dnr= 20 mm; (b) horizontal rebar with Dr= 12 mm and Dnr= 24 mm; (c) cross-shaped rebar with Dr= 8 mm and Dnr= 20 mm; and (d) cross-shaped rebar with Dr= 12 mm and Dnr= 24 mm. The blue part in the experiments is epoxy resin. (For interpretation of the references to color in this figure legend, the reader is referred to the web version of this article.)

The cross-sectional shapes of the 3DCP experiments around the horizontal rebar of
8 mm in Fig. 4-a illustrate the presence of a top air void as well as mid and bottom air voids positioned respectively above and below the horizontal rebar. The mid and bottom air voids are found to be smaller than the top one. This is due to the presence of the rebar that occupies the mortar’s flowable space as well as the deformation of the previously printed layers. For a detailed analysis of the deformation pattern, refer to [53]. The air voids at the top and bottom are significant when the rebar diameter is increased to 12 mm (Fig. 4-b). This is due to the fact that the nozzle-rebar distance was increased, which enhances the flowable space between the strands. In addition, the larger size of the rebar creates larger channels below and above itself, where the mortar of the second and third layers is forced to be squeezed into. The mid-air void is found to be absent as its area is fully occupied by the larger rebar. In the case of the cross-shaped rebars, the existence of the vertical rebar seems to restrict the merging of parallel strands, and therefore, the presence of air void content increases, cf. Fig. 4-c, d. This limitation is found to be pronounced for the larger rebar diameter with the larger nozzle-rebar distance.
The cross-sectional shapes of the simulations (middle column in Fig. 4) illustrate high accuracy predictions of the position and size of the air voids when compared with the experiments. Particularly, the models capture small details around the vertical rebar for both diameters. This can clearly be seen in the comparison of experiments and simulation, cf. right column in Fig. 4. A discrepancy is found in the strand’s width of the bottom layer as well as the shape of the printed part, specifically in the shape of strands of all the layers next to the vertical rebar and the height of the part for the smaller rebar diameter. These could be due to a combined effect of the idealized rheological model, as well as slight differences in the processing parameters, e.g. nozzle height above the printing surface, nozzle-rebar distance, as well as printing- and extrusion-speed. Note that the height of the vertical rebar in the experiments is a bit shorter than the one in the simulations (40 mm), although it does not influence the results.

3.2. Influence of materials properties

The influence of the material properties, yield stress and plastic viscosity, on the air void formation is presented in Fig. 5, Fig. 6, Fig. 7. The process parameters of Case 1 (cf. Table 1) are utilized.

Fig. 5

Fig. 5. Air void formation in the cross-sections of the printed parts for different yield stress.

Fig. 6

Fig. 6. Air void formation in the cross-sections of the printed parts for different plastic viscosity.

Fig. 7

Fig. 7. Volume fraction of air voids for different models as a function of (a) yield stress and (b) plastic viscosity.

Yield stress

Fig. 5 presents cross-sectional shapes for different yield stress, 400, 630, and 800 Pa. It can be seen that Models 1 and 2 predict a top air void, while for Model 3 the two topmost strands to the left are not in contact with the vertical rebar. The cross-sections illustrate that an increased yield stress causes less deformation of the printed layers and create stands with less round shape. This is due to the reduced effective gap (i.e., the distance between the nozzle and previous printed layer), which results in a reduced air void content for most models as seen quantitatively in Fig. 7-a. This behavior is converse to conventional concrete castings where a more fluid material (e.g. self-compacting concrete) can lead to a lower void content. An exception to the observed behavior that a higher yield stress leads to less voids formation is seen in case of Model 2 with
800 Pa, where the top air void is slightly larger as compared to the one for
630 Pa. Another exception is that an outer bottom air void appears for Models 1 and 2 when increasing the yield stress to 800 Pa. Both exceptions are a consequence of the yield stress now restricting the flow in confined spaces, which illustrates that it is a non-trivial task to fully eradicate air voids only by increasing the yield stress.

Plastic viscosity

As the plastic viscosity is varied, cross-sections for Model 1 show a slight change in air voids, see Fig. 6. A mid-air void is produced when the plastic viscosity is small, while the two largest plastic viscosities only produce the top air void. This is due to the increase in extrusion pressure that leads to larger deformation of the printed layers when the plastic viscosity is increased, cf. details in ref. [47]. When integrating a horizontal rebar (see Model 2), the air void formation increases at higher plastic viscosities. This could be due to the fact that the sideway flow of the depositing material (i.e., y-velocity) is limited by the flow resistance that comes from both the larger plastic viscosity and the presence of the solid rebar. No noticeable change can be seen in the cross-sections of Model 3 for different plastic viscosities. The same findings are quantitatively highlighted in Fig. 7-b, which illustrates that the volume fraction of air voids is not influenced much by the plastic viscosity except for Model 2.

3.3. Influence of processing conditions

The influence of processing conditions such as rebar diameter, nozzle-rebar distance, geometric ratio, and speed ratio on air void formation is presented in terms of cross-sectional shapes and volume fraction of air void, see Fig. 8, Fig. 9, Fig. 10, Fig. 11, Fig. 12. Models 1 to 3 are simulated with the reference material properties, cf. Table 2.

Fig. 8

Fig. 8. Air void formation in the cross-sections of the printed parts for different rebar diameters.

Fig. 9

Fig. 9. Air void formation in the cross-sections of the printed parts for different nozzle-rebar distances.

Fig. 10

Fig. 10. Air void formation in the cross-sections of the printed parts for different geometric ratios.

Fig. 11

Fig. 11. Air void formation in the cross-sections of the printed parts for different speed ratios.

Fig. 12

Fig. 12. Volume fraction of air voids for different models as a function of (a) rebar diameter, (b) nozzle-rebar distance, (c) geometric ratio, and (d) speed ratio.

Rebar diameter

The influence of the rebar diameter on the air void formation is presented in Fig. 8, Fig. 12-a. Models 2 and 3 are simulated (Model 1 does not contain a rebar) for Cases 1, 2, and 3, cf. Table 1. Fig. 8 illustrates that the top air void appears almost constant for Model 2, whereas the air void below the rebar increases with an enlarged rebar diameter. Two phenomena with opposite effects on the void formation play a role in this regard. On the one hand, increasing the rebar size reduces the space that the strands need to occupy to fully merge and thereby eliminate voids. On the other hand, the resistance towards flow and merging of the parallel strands next to the rebar increases proportionally with the size of the reinforcement. The latter effect is dominating in this case. For Model 3, the air void formation also increases when increasing the reinforcement. In addition to the previously mentioned argument, this is due to the left strands having to flow longer to reach the vertical rebar (i.e., Dnr+Dr/2). Conversely, additional air voids take place on the right-hand side of the vertical rebar for the smallest rebar diameter, because the nozzle-rebar distance Dnr= 20 mm is kept constant. Fig. 12-a underlines quantitatively that the volume fraction of air voids reduces when the rebar diameter is small. The trend is more pronounced for the cross-shaped rebar (Model 3), but in absolute values the air voids are substantially less for Model 2.

Nozzle-rebar distance

Fig. 9, Fig. 12-b show the effect of different nozzle-rebar distances on the formation of air voids. All the models are simulated for Cases 1, 4, and 5, cf. Table 1. Fig. 9 shows that the presence of air voids is reduced when the nozzle-rebar distance reduces. This is because the flowable space around the rebars shrinks. Interestingly, no significant air voids are present in Model 1 and 2 when Dnr= 18 mm, see Fig. 12-b. Fig. 12-b also depicts that the trend is more pronounced for the cross-shaped rebar (Model 3). One should be careful though about decreasing the nozzle-rebar distance too much, as a ridge is forming on the top layer since material from the left strand starts to flow on top of the right strand (Fig. 9), which potentially could affect the final shape of the structure. In case of the cross-shaped rebar model, air voids are formed for all investigated Dnr. One could potentially with benefit reduce the Dnr further, but not more than the sum of half of the nozzle diameter (10 mm), the nozzle wall thickness (2.5 mm), and half of the rebar diameter (4 mm), i.e., 16.5 mm, otherwise the nozzle will collide with the rebar.

Geometric ratio

The effect of the geometric ratio on the formation of air voids is presented in Fig. 10, Fig. 12-c. The considered simulations are Cases 1, 6, and 7 cf. Table 1. Fig. 10 illustrates that decreasing the geometric ratio can reduce the presence of air voids in the cross-sections. This is because a smaller geometric ratio results in wider strands, which then occupy more of the flowable space around the rebars. Note that when Gr= 0.50, 0.45, and 0.40 the layer height is 10, 9, and 8 mm, respectively. No air voids are formed for Model 1 and 2 when Gr= 0.45, and 0.40. However, for the smallest ratio ridges are obtained on either side of the strands as clearly seen for the top layer. These ridges can as previously mentioned have a negative effect on the final shape of the structure. Consequently, Gr= 0.45 is preferable for these two models. In the case of Model 3, air voids are still present next to the vertical rebar, even for the smallest investigated geometric ratio. The volume fraction of air voids is approximately 1.5 %, see Fig. 12-c. The geometric ratio could be reduced further in order to decrease the air voids even more, but the ridges already form at Gr= 0.40. Consequently, it is not possible to fully eliminate air voids while at the same time avoiding ridges when only varying the geometric ratio for Model 3.

Speed ratio

Fig. 11, Fig. 12-d illustrate the formation of air voids for different speed ratios. The considered simulations are Case 1, Case 8, and Case 9, cf. Table 1. The three speed ratios are obtained by applying an extrusion speed of 48.4 mm/s, 51.5 mm/s, and 53.8 mm/s. Fig. 11 show that less air voids are formed when decreasing the speed ratio (i.e., higher extrusion speed). Reducing the speed ratio increases the cross-sectional area of the strands proportionally, thereby decreasing the air voids. Model 1 obtains no air voids for the two smallest ratios, and the same is almost the case for Model 2; only a very small air void is formed when Sr= 0.68, see Fig. 12-d. Model 3 forms air voids for all speed ratios. For the lowest speed ratio, the third strand to the left is in contact with the vertical rebar, but air voids are still formed around the horizontal reinforcement, which underlines the fact that it is difficult to fully eliminate air voids for the cross-shaped rebars.

3.4. Cross-shaped reinforcement

Based on the above analysis, it is clear that the air voids around the horizontal rebar can be eliminated by changing some of the processing conditions, such as the nozzle-rebar distance, geometric ratio, and speed ratio. However, it remains unsolved to fully omit the presence of air voids around the cross-shaped rebar, although the processing conditions can reduce the volume fraction of air voids. A parametric study was conducted by varying some combinations of processing conditions; however, the same conclusion was achieved that the air voids could not be fully eliminated. In order to solve this predicament, a new stepped toolpath is investigated (see Fig. 13) along with three different rebar geometries: 1) cylindrical rebars as in the previous analysis, see Fig. 14-a; 2) a squared horizontal rebar, cf. Fig. 14-b; and 3) cylindrical rebars with a smooth transition between them, see Fig. 14-c. In all scenarios, the speed ratio is 0.665, the size (i.e., diameter or side of square) of the rebars are 6 mm, and the horizontal rebar is placed at a height of 8 mm from the substrate. The other processing parameters are the same as for Case 2 and reference material properties are applied. For scenarios one and two small air voids are formed, but for scenario three air voids are eliminated, see Fig. 14. This numerical analysis illustrates that although it is difficult to get rid of air voids for the cross-shaped rebars, one can do it when carefully selecting the material- and processing-parameters and remembering to have a smooth transition between the rebars.

Fig. 13

Fig. 13. New toolpath planning around the cross-shaped rebar.

Fig. 14

Fig. 14. Simulated structure with new toolpath and different rebar geometries. (a) Cylindrical horizontal- and vertical-rebar, (b) square horizontal rebar and cylindrical vertical rebar, (c) cylindrical horizontal- and vertical-rebar with smooth transition. Note that Dr= 6 mm, Sr= 0.665, and Hr= 8 mm.

4. Conclusions

A CFD model was used to predict the morphology of strands and the formation of air voids around reinforcement bars when integrated with 3DCP. The model used an elasto-viscoplastic constitutive model to mimic the cementitious mortar flow. The CFD model was compared with experiments that constituted a horizontal and a cross-shaped rebar configuration. The results illustrated that the model with high-accuracy could predict the air void formation in the structures. The simulations had though slightly less wide bottom strands as compared to the experimental counterpart, which was attributed to small differences in material behavior and processing parameters.
The CFD model was exploited to investigate the effect of material properties on the air void formation. The results illustrated that by increasing the yield stress less air voids were formed due to the reduced effective gap. However, the air voids could not be eliminated as the increased yield stress also restricted the flow in confined spaces. In contrast to the effect of the yield stress, the void formation decreased somewhat when decreasing the plastic viscosity (although not enough to omit air voids fully).
The process parameters were found to have a substantial effect on the air void formation. The air void formation increased when increasing the rebar diameter, because the resistance towards flow around the reinforcement and thereby merging of the strands increased proportional with the size of the rebars. The air voids could be reduced and in some of the horizontal cases fully avoided by reducing the nozzle-rebar distance, but it could come with the expense of ridges (which could affect the final geometry of the structure), since material from one strand would flow on top of a previously deposited stand. Similarly, decreasing the geometric ratio was found to reduce the presence of air voids, because a smaller geometric ratio resulted in wider stands that occupied more of the space around the rebars. However, the smallest ratios also resulted in ridges. It was also found that less air voids were formed when decreasing the speed ratio, since the cross-sectional area of the strands increased proportionally, thereby occupying more space around the rebars.
By decreasing the nozzle-rebar distance, geometric ratio, and speed ratio, voids were omitted around the horizontal rebar, but air voids would still be introduced for the cross-shaped rebar. Those air voids could be eliminated by changing the toolpath and some processing parameters, as well as altering the geometry of the reinforcement joint to a smooth transition between the horizontal and vertical rebar. The results highlight that it is non-trivial to avoid air voids when integrating rebars in 3DCP, but that the CFD model is a very strong digital tool when it comes to securing a good bonding between the reinforcement and concrete.
A limitation of the CFD model is that with the current computational power it is not possible to simulate a full 3DCP structure. Nevertheless, the CFD model is powerful when it comes to understanding and optimizing printing strategies for individual reinforcement details. In future research, it would be interesting to exploit the CFD model to systematically investigate various reinforcement setups and based on the model results generate response surfaces or lookup tables, which can be coupled with the 3DCP toolpath software. This approach would have several benefits: 1) the computational heavy CFD model could run all scenarios in parallel, thereby minimizing the physical time spent on calculations; 2) one could avoid repetition of individual reinforcement studies; and 3) the response surfaces or lookup tables could in a computational light manner come up with printing strategies for all reinforcement details in a full 3DCP structure.

CRediT authorship contribution statement

Md Tusher Mollah: Conceptualization, Methodology, Investigation, Formal analysis, Visualization, Writing – original draft, Writing – review & editing. Raphaël Comminal: Conceptualization, Formal analysis, Writing – review & editing, Supervision. Wilson Ricardo Leal da Silva: Conceptualization, Formal analysis, Writing – review & editing, Resources. Berin Šeta: Investigation, Formal analysis, Writing – review & editing. Jon Spangenberg: Conceptualization, Investigation, Formal analysis, Writing – review & editing, Supervision, Resources, Project administration.

Declaration of competing interest

The authors declare that they have no known competing financial interests or personal relationships that could have appeared to influence the work reported in this paper.

Acknowledgements

The authors would like to acknowledge the support of the Danish Council for Independent Research (DFF) | Technology and Production Sciences (FTP) (Contract No. 8022-00042B). Also, the authors would like to acknowledge the support of the Innovation Fund Denmark (Grant No. 8055-00030B: Next Generation of 3D-printed Concrete Structures and Grant no. 0223-00084B: ThermoForm – Robotic ThermoSetting Printing of Large-Scale Construction Formwork), Moreover, the support of FLOW-3D® regarding licenses is acknowledged.

Appendix A.

This analysis varies the shear modulus (i.e., 20, 50, and 100 kPa) in the case Dr= 8 mm, as seen in Fig. A.1, which presents the cross-sectional shapes (top) and the volume fraction of air voids (bottom). It can be seen that increasing the shear modulus slightly reduces the air void formation. This is because the larger shear modulus enhances the ability of the material to act against the shear deformation. However, an increase in shear modulus also extensively increases the computational time of solving the non-linear elastic response of the elasto-viscoplastic material. For example, the computational time of Model 3 is about 6, 12, and 18 days for a shear modulus of 20, 50, and 100 kPa, respectively. Therefore, the shear modulus is reduced to 100 kPa from the measured value (i.e., 200 kPa) to compare the simulated results with experiments. Furthermore, the shear modulus 20 kPa is chosen for the parametric study in 3.2 Influence of materials properties, 3.3 Influence of processing conditions, 3.4 Cross-shaped reinforcement. These assumptions seem reasonable to avoid extensive computational time consumption since the differences found in Fig. A.1 are not substantial.

Fig. A.1

Fig. A.1. Air void formation in the cross-sections of the printed parts (top) and the volume fraction of air voids (bottom) for different shear modulus.

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Computational analysis of yield stress buildup and stability of deposited layers in material extrusion additive manufacturing
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Influence of processing parameters on the layer geometry in 3D concrete printing: experiments and modelling
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Integrating reinforcement with 3D concrete printing: experiments and numerical modelling
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FLOW-3D RESIN

FLOW-3D RESIN 모듈

FLOW-3D RESIN 는 FLOW Science Japan에서 개발된 열 경화성 수지 유동과 열 특성을 해석하는 모듈입니다.
열 경화성 수지 재료는 강한 접착성 구조 강도, 열 및 화학적 내구성이 뛰어나며, 반도체 장치, 발전기, 변압기, 개폐기, 전기 자동차 및 하이브리드 전기 자동차의 코일이나 다른 파트, 프린트 기판, MRI등에 사용되고 있습니다.

주요 기능:Castro-Macosko, Cross-WLF등의 점성 모델 지수 감쇠, Kamal등의 발열 모델 겔화 이후의 경화 수축 모델 수지 함침 해석용 포러스 체내 유동 모델(점성 의존 저항, 이방성 저항 등) 2-domain Tait pvT밀도식 모델 구조 해석 인터페이스 F.SAI 경유의 압력, 온도 데이터 내보내기

적용 사례

resin3 트랜스퍼 성형
resin4
사출 성형
background_phone_case_compare
실제 제품과 비교
resin5
트랜스퍼 몰드(충전의 결과:온도[위] / 속도[하단])
resin6
트랜스퍼 몰드(발열의 결과:온도[위]총 / 변형[하단])
resin7
트랜스퍼 몰드(냉각의 결과:온도)
background_resin1
FLOW-3D의 온도 데이터를 기반으로 수지에 매핑
background_resin2
구조 해석의 결과(Von Mises stress)
background_resin3
구조 해석의 결과(Total translation)
resin8
트랜스퍼 몰드(충전 해석:온도[위] / 공기 흡입[하단])
resin9
트랜스퍼 몰드(냉각 해석:응력[좌측]총 변형[오른쪽 위] / 온도[아래])
background_resin4
트랜스퍼 몰드 반응률[시간 추이]
background_resin5
트랜스퍼 몰드 응력[시간 추이]
background_resin6
FLOW-3D의 온도 데이터를 기반으로 수지에 매핑
background_resin7
구조 해석의 결과(변위[왼쪽] / Von Mises stress[오른쪽])

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Continuous Casting

Continuous Casting

연속 주조는 용강이 반제품 빌렛, 블룸 또는 슬래브로 응고되어 후속 압연기에서 압연하는 공정입니다. 연속 주조시, 용강은 레들에서 주조기로 이송됩니다. 주조 작업이 시작되면 레들의 바닥에 있는 슬라이딩 셔터가 열리고 철강은 제어된 속도로 턴디쉬 안으로 그리고 턴디쉬에서 하나 이상의 주형으로 흐릅니다.

1950 년대에 연속 주조가 도입되기 전에 철강은 고정 금형에 붓고 잉곳을 성형했습니다. 그 이후로 지속적인 주조는 수율, 품질, 생산성 및 비용 효율성을 향상시키기 위해 발전해 왔습니다. 주조 회사는 공정 개선을 위해 항상 노력하고 있으며, FLOW-3D CAST를 사용한 시뮬레이션은 물리적 시행 착오없이 비용을 절감할 수 있는 기회를 제공합니다.

Semi-Continuous Casting of a 600 mm Slab with Stress Calculation

이 시뮬레이션에서는 600mm직경 슬래브의 반 연속 주조의 공정이 모델링 됩니다. 액체 금속, A7050 합금은 세라믹 노즐을 통해 상단에서 들어가 흑연 주형을 통과하고, 표면 열전달계수와 지정된 온도로 모델링 된 물 분무에 의해 냉각됩니다. 하단의 강철 캡은 금속의 이동을 시작하여 액체 금속이 유출되는 것을 방지합니다. 캡은 0.3mm/sec의 일정한 속도로 아래쪽으로 이동하는 General Moving Object 물리 모델로 모델링 됩니다. 열응력 해석 모델은 균일하지 않은 냉각 및 수축으로 인해 고상 금속에서 발생하는 응력 및 변형을 예측하는 데 사용됩니다. 이 애니메이션은 Von Mises stress 결과를 보여 주는데, 400배로 확대된 결과입니다.

Continuous Casting Simulations

Rotational channel continuous casting example.

 

Solid fraction contours of the continuous casting process of a cylindrical steed rod using the general moving object and solidification models.

 

A 2D axisymmetric slice showing transient solidification contours through the transition region during continuous casting of a cylindrical steel rod.

열응력 개선 / Thermal Stress Evolution

열응력 개선 / Thermal Stress Evolution

FLOW-3D의 TSE(Thermalstressdiversion)모델은 모델링 가능한 주조 프로세스의 범위를 확장합니다. FSI/SETSE모델은 주변 유체, 열 구배 및 지정된 구속 조건의 압력에 대응하여 솔리드 및 단단한 구성 요소의 응력 및 변형을 모델링 하는 유한 요소 접근 방식을 사용하여 유체와 솔리드 사이의 완전 결합 상호 작용을 설명합니다.

균일하지 않은 냉각에 의해 발생하는 응고 과정 동안 열 스트레스가 발생합니다. 이러한 응력은 주형 벽의 수축 및 주물 형상의 불규칙에 의해 영향을 받습니다.Thermal stress evolution simulation
Von Mises stresses in a solidified aluminum V6 engine block

위의 시뮬레이션은 VonMises가 단단한 알루미늄 V6엔진 블록에서 응력을 나타냅니다. 이 블록은 강철 다이 내에서 주조된 알루미늄 A380합금으로 구성되어 있습니다.

알루미늄의 주입 온도는 527°C였으며 초기 다이 온도는 125°C였습니다. 부품을 60초 동안 다이 내에서 냉각한 후 주변 조건(125°C)에서 9분 동안 부품을 계속 냉각시켜 총 10분의 시뮬레이션 시간을 제공했습니다. 표시된 VonMises 응력은 부품 내 전단 응력의 크기를 측정한 것이며, 따라서 찢어지기 쉬운 부위를 보여 줍니다.

응력은 금형과 응고 금속에서 동시에 계산할 수 있습니다. FLOW-3D의 구조화된 메쉬를 초기 템플릿으로 사용하여 자동으로 메쉬 작업을 수행할 수 있습니다. 사용자는 중첩 또는 링크된 메쉬 블록을 만들고 V1.1.0의 새로운 적합한 메쉬 기능을 사용하여 메쉬의 로컬 해상도를 제어할 수 있습니다. 또는, Exodus-II형식의 타사 메쉬 생성 소프트웨어에서 유한 요소 메쉬를 가져올 수 있습니다.

Simulating Thermal Stress

아래에 표시된 알루미늄 커버는 강철 다이 내 알루미늄 A380합금으로 구성되어 있습니다. 주입 온도는 654°C였으며 초기 다이 온도는 240°C였습니다. 부품이 다이 내에서 6s동안 냉각되었으며 이때 부품이 완전히 경화되었습니다(러너 시스템 제외). 그런 다음 다이를 열고 부품이 주변 조건(25°C)에서 10초 이상 냉각되도록 했습니다. 그런 다음 탕도(runner)시스템을 제거했고, 이후 주변 조건에서 10초간 더 냉각했습니다. 여기에 표시된 정상 변위는 부품 표면의 움직임을 나타내며, 최대 변형 영역을 강조하기 위해 30회 증폭됩니다.

Displacements in a die cast part, die closed
Displacements in a die cast part, die closed.
Displacements in the part and runners, die open
Displacements in the part and runners, die open.
Displacements in the part with runner system removed
Displacements in the part with runner system removed.

Component Coupling within the Fluid-Structure Interaction and Thermal Stress Evolution Models

FLOW-3Dv11의 새로운 기능은 인접한 FSI(유체-구조물 상호 작용)구성 요소 및/또는 TSE(열 스트레스 진화)고체화된 유체 영역 간의 탄성 응력을 결합할 수 있는 기존의 유한 요소 고체 역학 용제의 업그레이드입니다. 이 새로운 기능은 복합 재료 부품(예:주형에서 응고되는 금속 주물 응고제 또는 바이메탈 게이지)의 열 응력과 변형을 시뮬레이션하고 반경 게이트 및 파이프 라인 지지 시스템과 같은 연결된 유압 구조에 가해지는 힘을 시뮬레이션하는 등 다양한 모델링 가능성을 열어 줍니다.

모델에는 복잡한 프로세스를 효율적으로 계산할 수 있는 여러가지 옵션이 있습니다.

No coupling

이 옵션은 인접 FSI구성 요소가 응력을 교환하지 않는 단순화된 경우를 나타냅니다. 그것은 계산적으로 효율적이며 요소들 간의 스트레스 상호 작용이 중요하지 않은 시나리오에 적합하다.

Full coupling

전체 커플링 옵션은 서로 다른 재료 특성을 가진 인접 FSI구성 요소를 모델링 하기 위한 것입니다. 두 구성 요소는 서로 당기거나 미끄러질 수 없지만 인터페이스의 응력은 구성 요소 간에 전달됩니다. 이는 바이메탈과 같이 접합된 구조물을 모델링 하는 데 이상적입니다.

Partial coupling

부분 커플링 옵션은 인접 FSI구성 요소가 마찰력과 정상적인 힘을 통해 상호 작용하지만 분리될 수 있는 일반적인 문제를 모델링 하기 위한 것. 이 옵션은 FSI구성 요소와 TSE의 고체화된 유체 영역을 결합하는 데 사용될 수 있으므로 부품이 다이에서 냉각될 때 주조 부품 및 다이에 대한 열 응력의 영향을 조사하는 데 이상적입니다.

두가지 시뮬레이션이 제시되어 모델의 새로운 특징을 보다 자세히 보여 줍니다. 첫번째 상황에서는 완전한 커플링 옵션을 사용하여 시간이 변화하는 온도에 대응하여 바이메탈 벤딩을 모델링 하는 반면, 두번째 예에서는 다이에서 V6엔진 블록을 응고하는 동안 부분 커플링 모델을 사용하여 열 응력을 확인하는 것을 보여 줍니다.

Full Coupling Example: Bimetallic Strip

전체 커플링 옵션의 가장 간단한 예 중 하나는 온도 구배에 대한 반응으로 바이메탈이 움직이는 것입니다. 이러한 스트립은 온도 변화에 대응하여 두 금속이 동일한 속도로 팽창하지 않기 때문에 열 스위치 및 벤딩에 일반적으로 사용됩니다. 시뮬레이션에서 모델링 된 바이메탈은 그림 1과 같이 길이 15cm, 두께 0.5cm의 강철 스트립으로 구성된 캔틸레버 빔입니다.

Schematic of bimetallic strip
그림 1:예제 시뮬레이션에 사용된 바이메탈의 개략도; 검은 색 화살표는 편향이 프로브 되는 위치를 나타내고, 양의 편향은 상향이다.

그리고 나서 스트립은 온도가 70초에 걸쳐 균일하게 변화하는 환경에 배치되었다. 그림 2는 시간 경과에 따른 다양한 온도에서 시뮬레이션 및 분석 용액을 위한 스트립 팁의 편향을 보여 준다. 결과는 온도가 변한 시기와 스트립의 열적 관성으로 인한 스트립의 반응 사이의 약간의 지연을 포함하여 몇가지 흥미로운 특징을 보여 준다. 이러한 지연은 분석 솔루션이 온도의 즉각적인 변화를 가정하기 때문에 계산된 편향과 분석적 편향 사이의 타이밍 차이에도 영향을 미친다. 변위의 진폭 차이는 분석 결과에서 무한대의 얇은 스트립의 가정에 기인할 수 있다. 계산 모델의 두께는 장착 지점에 응력을 추가하여 편향을 증가시킵니다.

Bimetallic deflection plot FLOW-3D
그림 2:스트립의 끝에서 시뮬레이션 시간에 걸쳐 처짐. 그림에 표시된 것은 스트립의 평균 온도( 진한 파란 색)뿐만 아니라 분석적( 연한 파란 색)및 계산( 빨간 색)편향입니다.

Partial Coupling Example: Metal Casting within a Deformable Die

Temperature profile of a v6 engine block
Figure 3: V6 엔진 블록의 온도 프로파일 단면도. 시뮬레이션 시작 7 초.

두번째 예제 시뮬레이션에서는 부분 커플링 모델을 사용하여 변형 가능한 강철 다이 내 금속 주물의 응력 개발을 보여 줍니다. 다이의 두 절반과 응고된 유체는 부분적으로 서로 결합되어 정상적인 응력과 마찰을 통해 상호 작용합니다. 시뮬레이션은 다이와 주물 부품의 열 응력 변화를 770,000 K의 solidus온도 바로 아래에서 298K의 주변 온도로 냉각하는 모습을 보여 줍니다. 주물 부분은 A380알루미늄 합금으로 구성되어 있고 다이 반쪽은 H-13강철로 구성되어 있습니다.

주조 부품과 주변 다이의 유한 요소 메시는 그림 3과 같이 3,665,533 요소와 3,862,378개 노드로 구성됩니다. 또한 각 다이의 절반에 대해 분리된 메쉬와 TSE고형화된 유체 영역도 나와 있습니다. 전면의 빨간 색 원은 서포트 피스톤 때문입니다(그림과 같이 표시되지 않음).

Thermal stress model
Figure 4 는 채워진 후 고압 다이 캐스팅 부품 300s의 주조물 온도와 변위 크기로 채색 된 강철 다이 조각을 결합한 이미지를 보여줍니다. 이 시뮬레이션에서, 다이는 응고하는 알루미늄에 연결되어 응력이 그들 사이에 전달됩니다. 변위 크기는 다이의 에지에서 0에서부터 주조에 인접한 0.1mm 이상까지 다양합니다.

금형과 응고된 유체 표면 사이의 경계면에서 발생하는 응력이 부분적으로 결합되어 제한된 수축을 확인할 수 있습니다. 그림 4는 시뮬레이션을 통해 주형 부분의 변형과 다이 부분의 절반의 변형을 보여 줍니다. 온도가 감소함에 따라 다이 캐스트와 주물이 서로 다른 속도로 수축하여 간섭 영역에 큰 응력이 발생하고 잠재적인 문제 영역이 나타납니다. 다이와 부품에서 결합된 응력을 계산하면 사용자가 각 구성 요소 내에서 발생하는 응력을 더 잘 예측하고 부품 품질을 개선하고 도구 수명을 연장하는 방법에 대한 통찰력을 제공할 수 있습니다.

Conclusion

다른 단단한 물체들의 상호 작용은 현대 디자인과 공학의 중요한 부분입니다. FSI구성 요소와 TSE고정 유체 영역 간의 새로운 결합 옵션이 FLOW-3D에 추가되어 오늘날의 엔지니어들이 정기적으로 접하는 복잡한 기하학적 구조를 평가하는 데 유용한 도구가 되었습니다.

Fluid Structure Interaction / 유체 구조 상호 작용

Fluid Structure Interaction / 유체 구조 상호 작용

유체 구조 상호 작용 모델은 주변 유체의 압력력, 온도 구배 및 지정된 구속 조건에 대한 응답으로 솔리드 구성 요소의 모델 응력 및 변형에 대한 유한 요소 접근법을 사용하여 유체와 솔리드 간의 완전 결합 상호 작용을 설명합니다. 현재 모델은 작은 변형으로 제한됩니다. FSI 모델의 가능한 응용 프로그램은 다음과 같습니다.
  • 수문, penstock 및 tainter 방수로 게이트
  • 잉크젯 프린터 노즐
FLOW-3D 의 유체 구조 상호 작용(FSI) 모델은 고체 역학뿐만 아니라 유체 역학에 결합 된 솔루션을 제공합니다. 유체 구조 상호 작용 및 열 응력 진화의 경우, 유체 압력, 온도 구배 및 체력이 고체의 변형에 영향을 줍니다. 그런 다음 변형이 유체 흐름으로 다시 공급됩니다. 유체 계산은 유한 차분 데카르트 메쉬에서 수행되고 변형률-스트레인 방정식은 FE(Finite Element) 바디 메쉬에서 해결됩니다.
사용자는 CAD 지오메트리(STL) 파일 또는 FLOW-3D의 지오메트리 입력을 통해 생성된 복잡한 형상에 대한 FE 메시를 생성 할 수 있습니다. FE 메시 생성기는 표준 FLOW-3D 데카르트 메쉬를 시작점으로 사용합니다. 그런 다음 솔리드 서페이스를 포함하는 요소의 모양이 솔리드의 인터페이스를 캡처합니다. FE 메시는 사용자로부터 입력이 거의 또는 전혀없이 생성됩니다. 그러나 사용자는 정교하고 복잡한 FE 메쉬를 생성 할 수 있습니다.
FLOW-3D 메쉬의 로컬 정련은 유한 요소 메쉬에 나타나는 디테일의 수준을 향상시킵니다.
플롯 (a)은 FLOW-3D의 STL (stereolithography) 파일 뷰어에서 생성된 부분을 보여줍니다.
Plot (b)은 거친 FE 메쉬의 샘플 결과를 보여주고 plot (c)는 포함하는 Cartesian 메쉬의 로컬 해상도를 증가시켜 FE 메쉬에서 미세 디테일을 해결할 수있는 방법을 보여줍니다.

Fluid Structure Interaction Videos

고체 역학 문제를 풀기 위해 필요한 탄성 특성은 온도에 따라 달라질 수 있습니다.

Flow Science는 MPDB (Material Property Database)와 파트너 관계를 맺어 수천 개의 고체 물질과 온도 의존 특성을 제공합니다. 시뮬레이션의 견고한 역학 측면에 대한 솔루션을 분석하는 출력 변수는 다음과 같습니다.

  • 전체 응력 텐서 (Full stress tensor)
  • 전체 변형 텐서 (Full strain tensor)
  • 3 차원에서의 변형 (Full strain tensor)
  • 정상 변위 (Normal displacement)
  • 볼륨 확장 (Volume expansion)
  • 평균 등방성 응력 (Mean isotropic stress)
  • 폰 미세스 스트레스 (Von Mises stress)

바이오 분야

Biotechnology

생명 공학 분야에 전산 유체 역학을 적용하는 것은 비교적 새로운 방법으로, 다양한 의료 기기를 효과적으로 사용하거나, 분석 구현하는 방법을 개선하는데 큰 도움이 될 수 있습니다.
FLOW-3D는 하나의 패키지로 구성되어 있으며, 광범위한 범위를 갖는 강력한 시뮬레이션 해석 프로그램 입니다.
FLOW-3D가 가지고 있는 기능으로 자유 표면과 제한된 갇혀 있는 유체의 흐름, 가변 밀도, 상 변화, 움직이는 물체, 기계 및 열 응력 해석이 가능합니다.
 
자세한 내용은 FLOW-3D의 모델링 기능의 전체 목록을 살펴보십시오.
Von Mises stress 분포.
FLOW-3D‘s fluid-structure interaction model 을 이용한 안압 분석 결과.
Courtesy University at Buffalo.

바이오 분야의 다양한 해석 사례


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