KR100254222B1 - Method for predicting fatigue life of spot weld - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 점용접부의 내구 수명 예측 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 차체 구조물을 결합시키는 점용접부를 유한요소 해석을 통해 전단 하중 및 축방향 하중에 대해 복합적으로 해석함으로써 점용접부에 다축 하중이 불규칙적으로 작용하는 경우 그에 상응하는 내구 수명을 정량적으로 예측할 수 있도록 하는 점용접부의 내구 수명 예측 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for predicting the endurance life of a spot weld. More specifically, the spot weld that couples the vehicle structure is combined with the shear load and the axial load through finite element analysis, resulting in an irregular multiaxial load. In this regard, the present invention relates to a method for predicting the endurance life of a spot welded part to quantitatively predict the endurance life corresponding thereto.
일반적으로 자동차 구조물 중 차체의 경우 수많은 부품이 점용접으로 결합된다.In general, in the case of the car body of a car structure, a large number of parts are joined by spot welding.
이때 가장 중요한 것이 점용접부의 내구품질을 확보하는 것으로써 이는 설계 초기 단계 즉, 부품이 제작되기 전 단계에 점용접부의 내구품질을 미리 예측하여 확보하는 것이 필요하다.At this time, the most important thing is to secure the durability quality of the spot welds, which is necessary to predict and secure the durability quality of the spot welds in the early stage of design, that is, before the parts are manufactured.
이러한 목적을 위해 종래에는 점용접부를 포함하는 자동차 차체 구조물을 유한요소 모델링 한 후, 차체에 입력되는 노면으로부터의 하중을 이용하여 점용접부에 작용하는 힘을 구한다.For this purpose, after finite element modeling of a vehicle body structure including a spot welding part, a force acting on the spot welding part is obtained by using a load from a road surface input to the vehicle body.
상기에서 점용접부에 작용하는 힘은 점용접부의 축방향과 전단방향의 하중 2가지가 구해진다.As for the force acting on the spot welding portion, two kinds of loads in the axial direction and the shear direction of the spot welding portion are obtained.
이후 실제 운전중 내구상 문제점의 발생 여부를 판단하기 위하여 내구 시험 주행로에서 발생한 점용접부의 내구 문제를 유한요소 해석으로 재현하여 크랙이 발생할 때의 하중을 산출하여 현재 개발중인 차종에 적용을 하였다.Afterwards, in order to determine whether the durability problem occurred during the actual operation, the durability problem of the spot welding part in the endurance test path was reproduced by finite element analysis to calculate the load when the crack occurred and applied it to the vehicle model currently under development.
또한 상기와는 달리 유한요소 해석을 통해 계산된 결과를 토대로 문헌상에 발표된 점용접부의 응력-수명 곡선 또는 하중-수명 곡선을 이용하여 내구 성능을 예측하기도 하였다.Unlike the above, the endurance performance was predicted using the stress-life curve or the load-life curve of the spot welds published in the literature based on the results calculated through the finite element analysis.
상기에서 축방향 하중과 전단방향 하중이 유한요소법에 의해 계산이 되면 각각의 하중을 따로 판단을 하였다.In the above, when the axial load and the shear load were calculated by the finite element method, the respective loads were determined separately.
전술한 바와 같은 종래의 방법은 정성적 평가를 통해 내구성 문제의 발생 가능성 여부만을 판단하였기 때문에 정량적인 평가를 통한 정확한 수명 예측을 하지 못하는 문제점이 있었다.The conventional method as described above has a problem in that it is not possible to accurately predict the life expectancy through quantitative evaluation because only the possibility of occurrence of durability problems is determined through qualitative evaluation.
또한 종래의 방법은 축방향 하중과 전단방향 하중에 따라 내구 수명을 각각의 판단 기준에 의해 판단하였기 때문에 정확한 판단을 할 수 없는 문제점이 있었다.In addition, the conventional method has a problem that can not be accurately determined because the endurance life is determined by each criterion according to the axial load and the shear load.
또한 종래의 방법에서 판단 기준이 축방향 하중과 전단방향 하중 2가지로 구분되어 각각의 기준을 만족하면 되지만 실제 하중은 2가지 하중이 복합적으로 작용하게 되므로 내구 문제 발생 가능성이 증가할 확률이 커지기 때문에 이에 대한 현상파악에 신뢰성을 상실하게 되는 문제점이 있었다.In addition, in the conventional method, the criterion is classified into two types, axial load and shear load, and each criterion must be satisfied. However, since the two loads act in combination, the probability of occurrence of durability problems increases. There was a problem that the reliability is lost in grasping the phenomenon.
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 그 목적은 차체 구조물을 결합시키는 점용접부를 유한요소 해석을 통해 전단 하중 및 축방향 하중에 대해 복합적으로 해석함으로써 점용접부에 다축 하중이 불규칙적으로 작용하는 경우 그에 상응하는 내구 수명을 정량적으로 예측할 수 있도록 하는 점용접부의 내구 수명 예측 방법을 제공하는 데 있다.The present invention has been made to solve the above problems, and the object of the present invention is to analyze the shear welding and the axial load complexly through the spot welding for joining the vehicle structure through finite element analysis. If so, the present invention provides a method for predicting the endurance life of a spot weld, which can quantitatively predict the endurance life corresponding thereto.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 점용접부를 포함하는 구조물을 컴퓨터에 의해 유한요소 모델링을 하여 구조물에 작용하는 하중과 경계조건에 따른 유한요소 정적해석을 통해 점용접부에 작용하는 축방향 하중과 전단방향 하중을 구하는 단계와; 실제 차량 구조물에는 복잡한 다축 하중이 불규칙적으로 작용하므로 기존 데이터베이스화되어 있는 하중이력 데이터에서 적합한 축방향 하중이력과 전단방향 하중이력을 선정하며 점용접부에 대한 하중-수명 곡선을 선정하는 단계와; 상기 단계에서 각각 선정된 하중이력을 상기 유한요소 해석을 통해 산출된 하중이 하중이력의 최대치가 되도록 축방향 하중이력과 전단방향 하중이력을 각각 수정하는 단계와; 상기 단계에서 축방향과 전단하중 하중에 대한 각각의 수정된 하중이력을 사이클 카운팅하여 손상량 계산이 가능하도록 하중범위와 평균하중을 산출하는 단계와; 상기 단계에서 산출된 하중범위와 평균하중을 이용하여 축방향 하중이력과 전단방향 하중이력에 의한 손상량을 각각 계산하며, 계산된 축방향 하중이력에 의한 손상량과 전단방향 하중이력에 의한 손상량의 합이 1.0이 되면 계산을 종료하는 단계와; 상기 단계에서 계산이 종료되면 그때까지 계산된 축방향 하중이력에 의한 손상량과 전단방향 하중이력에 의한 손상량에 따라 상기 선정된 하중-수명 곡선에 의해 점용접부의 수명을 계산하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention, by applying a finite element modeling of the structure including the spot welding by computer acting on the axial direction through the finite element static analysis according to the load and boundary conditions acting on the structure Obtaining a load and a shear load; A complex multi-axis load acts irregularly on the actual vehicle structure, selecting a suitable axial load history and shear load history from the existing load history data and selecting load-life curves for the spot welds; Modifying the axial load history and the shear load history so that the load history selected in the above step is the maximum value of the load history, respectively, through the finite element analysis; Calculating the load range and the average load so that the amount of damage can be calculated by cycle counting each modified load history for the axial and shear loads in the step; Using the load range and average load calculated in the above step, the damage amount due to the axial load history and the shear load history is respectively calculated, and the damage amount due to the calculated axial load history and the damage due to the shear load history. Terminating the calculation when the sum is equal to 1.0; When the calculation is completed in the above step, the life of the spot welding portion is calculated by the selected load-life curve according to the damage caused by the axial load history and the damage caused by the shear load history. It features.
제1도는 본 발명인 점용접부의 내구 수명 예측 방법을 개략적으로 도시한 동작 순서도이고,1 is an operation flowchart schematically showing a method for predicting the endurance life of the spot welding portion of the present invention,
제2도는 본 발명에 따라 점용접부를 포함하는 스틱박판을 쉘요소로 모델링하는 과정을 도시한 사시도이고,2 is a perspective view illustrating a process of modeling a stick thin plate including a spot welding portion as a shell element according to the present invention,
제3도는 본 발명에 따라 쉘요소를 연결하는 점용접부를 빔요소로 모델링하는 과정을 도시한 사시도이고,3 is a perspective view illustrating a process of modeling a spot welding portion connecting the shell element as a beam element according to the present invention,
제4도는 본 발명에 따라 다축 불규칙 하중이 작용하는 점용접부의 하중이력 및 점용접부에 대한 피로특성을 도시한 신호 파형도이고,4 is a signal waveform diagram showing the load history of the spot welding portion and the fatigue characteristics for the spot welding portion in which the multi-axis irregular load is applied according to the present invention,
제5도는 본 발명에 따라 점용접부의 축방향과 전단방향의 하중이력을 각각 도시한 신호 파형도이고,5 is a signal waveform diagram showing the load history in the axial direction and the shear direction, respectively, according to the present invention;
제6도는 본 발명에 따라 사이클 카운팅 결과를 도시한 그래프이다.6 is a graph showing cycle counting results in accordance with the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예를 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
본 발명은 유한요소법을 이용하는 것으로, 일반적으로 유한요소법은 구조물을 유한개의 요소로 분할하여 실제 구조와 근사하게 모델링한 후, 변형과 응력을 계산하는 것으로, 구조물을 여러 가지 요소로 분할하여 모델링한 후 시험과 마찬가지로 고정시킬 곳은 고정시키고 필요한 곳에 하중을 가한 후 그때의 변형과 응력을 평가하는 방법이며, 유한요소에는 빔(BEAM) 요소, 3각형 및 4각형 쉘(SHELL) 요소, 입체적인 솔리드(SOLID) 요소 등이 있다.In the present invention, the finite element method is generally used. In general, the finite element method is a method of dividing a structure into finite elements to approximate an actual structure and then calculating deformation and stress. As in the test, the fixation is a method of fixing and applying a load where necessary, and then evaluating the deformation and stress.The finite element includes beam elements, triangular and quadrilateral shell elements, and solid solids. ) Elements.
제1도는 본 발명인 점용접부의 내구 수명 예측 방법을 개략적으로 도시한 동작 순서도이다.1 is a flow chart schematically showing a method for predicting the endurance life of the spot weld according to the present invention.
차체에 각종 부품을 결합시키는 점용접부의 수명 예측을 위해 먼저 점용접부를 포함하는 구조물을 제2도 및 제3도에서와 같이 컴퓨터에 의해 유한요소 모델링을 수행한다(S10).In order to predict the life of the spot welding part for coupling various parts to the vehicle body, the finite element modeling is performed by a computer as shown in FIGS. 2 and 3 in the structure including the spot welding part (S10).
상기 단계(S10)에서 점용접부를 포함하는 구조물의 스틱박판(1)은 제2b도에서와 같이 유한요소중 쉘요소로 모델링하고, 점용접부는 제3b도에서와 같이 상기 제2b도의 쉘요소 사이를 연결하는 빔요소로 모델링한다(S10).In the step S10, the stick
이때 점용접부의 빔 요소 모델링은 제2a도의 A-A' 부분의 단면도인 제3a도에서와 같이 점용접된 각 스틱박판의 폭 중심 사이 거리(D)를 기준으로 하여 제3b도와 같이 빔 요소 사이의 거리(D)를 설정하여 모델링을 수행한다.In this case, the beam element modeling of the spot weld is performed as shown in FIG. 3B based on the distance D between the centers of the widths of each of the stick-welded spot welded spots as shown in FIG. 3A, which is a cross-sectional view of the AA ′ portion of FIG. 2A. Set modeling by setting (D).
상기 단계(S10)에서 모델링된 점용접부 모델을 기존의 내구 주행로 상의 시험에 의해 데이터베이스화되어 있는 내구로 하중 데이터에서 적합한 데이터를 선정하여(S20) 구조물에 작용하는 하중과 경계조건에 따라 유한요소 정적해석을 수행한다(S21).The spot welding model modeled in step S10 is selected from the endurance load data, which is databased by the test on the existing endurance driving path, and suitable data are selected (S20) according to the load and boundary conditions acting on the structure. Perform a static analysis (S21).
그리고 상기 단계(S21)에서의 유한요소 정적해석을 통해 산출된 결과를 토대로 점용접부에 작용하는 하중을 계산한다(S30).And based on the result calculated through the finite element static analysis in the step (S21) to calculate the load acting on the spot welding (S30).
상기 단계(S30)에서 산출하는 하중은 점용접부의 축방향 하중과 전단방향 하중이다.The load calculated in the step S30 is the axial load and the shear load of the spot welding portion.
이후, 실제 차량의 구조물에는 노면의 요철에 의한 하중, 운전자의 가감속 조작에 의해 차량 전후방으로 작용하는 전후방향 하중, 제동시 차량 전후 방향으로 발생하는 브레이킹 하중, 차량이 선회시에 타이어 측면으로부터 발생하는 측면 하중 등과 같은 복잡한 다축 하중이 불규칙적으로 작용하므로 기존 데이터베이스화되어 있는 하중이력 데이터에서 제4a도와 같은 손상량 산출에 사용할 적합한 데이터를 산정하며, 점용접부에 대한 피로특성 즉, 제4b도와 같은 하중-수명 곡선을 선정한다(S40).Subsequently, the actual vehicle structure includes loads due to unevenness of the road surface, forward and backward loads acting in the front and rear of the vehicle by the driver's acceleration and deceleration operation, braking loads generated in the front and rear directions during braking, and from the tire side when the vehicle is turning. Since complex multiaxial loads such as lateral loads are irregular, the appropriate data to be used for calculating damages such as Figure 4a are calculated from the existing database load history data, and the fatigue characteristics of spot welds, that is, loads like Figure 4b. -Select the life curve (S40).
그리고 점용접부의 축방향과 전단방향 하중에 사용할 하중이력은 동일한 것이지만 하중의 크기가 다르므로 상기 단계(S30)의 유한요소 해석에서 산출된 축방향 하중과 전단방향 하중이 상기에서 선정된 제4a도의 하중이력에서 최대치가 되도록 각각 제5도와 같이 축방향 하중이력(제5a도)과 전단방향 하중이력(제5b도)으로 수정한다(S40).Since the load history to be used for the axial and shear loads of the spot weld is the same, but the magnitude of the loads is different, the axial load and the shear load calculated in the finite element analysis of the step (S30) are shown in FIG. The axial load history (figure 5a) and the shear load history (figure 5b) are corrected as shown in FIG. 5 so as to be the maximum value in the load history (S40).
상기 단계(S40)에서 점용접부에 대한 축방향 하중이력(제5a도)과 전단방향 하중이력(제5b도)으로 각각 수정하면 축방향 하중이력과 전단방향 하중이력 사이에는 주기의 변화 없이 단지 진폭의 크기만 차이가 나게 된다.In the step (S40), if the axial load history (figure 5a) and the shear load history (figure 5b) respectively modified for the spot welding portion, only amplitude without change of period between axial load history and shear load history Only the size of the difference will be.
이후, 축방향 하중과 전단방향 하중에 대한 각각의 수정된 하중이력(제5a도, 제5b도)을 사이클 카운팅 즉, 주기(시간)에 따라 각각의 축방향 하중과 전단방향 하중을 각각 적분하여 손상량 계산이 가능하도록 제6도에서와 같이 점용접부의 변위에 따른 하중범위(△F)와 하중이력(Fm)들을 산출한다.Then, each modified load history (Figs. 5a and 5b) with respect to the axial load and the shear load is integrated by cycle counting, that is, the respective axial load and the shear load according to the period (time), respectively. The load range ΔF and the load history Fm according to the displacement of the spot welding portion are calculated as shown in FIG. 6 so that the damage amount can be calculated.
상기 사이클 카운팅에서 계산된 하중범위(△F)와 평균 하중은(Fm) 축방향 및 전단방향 공히 범위숫자는 동일하며 단지 하중범위(△F1, △F2, △F3)의 크기와 평균하중(Fm1, Fm2, Fm3)의 크기가 일정한 비율로 차이를 보인다.The load range (ΔF) and average load (Fm) calculated in the cycle counting are the same in the axial and shear directions, and the number of the range is the same, and only the magnitude and the average load (Fm1) of the load range (ΔF1, ΔF2, ΔF3). , Fm2, Fm3) show a difference in proportion.
이것을 이용하여 축방향 하중이력(제5a도)과 전단방향 하중이력(제5b도)을 각각 동시에 하중범위(△F)와 평균하중(Fm)을 이용하여 각각 축방향 하중에 대한 손상량과 전단방향 하중에 대한 손상량을 계산한다(S41), (S42).Using this, the axial load history (figure 5a) and the shear load history (figure 5b) are simultaneously used, respectively, using the load range (ΔF) and the average load (Fm). The amount of damage to the directional load is calculated (S41) and (S42).
이와 동시에 상기 단계(S41), (S42)에서 각각의 계산된 축방향 하중에 의한 손상량과 전단방향 하중에 의한 손상량을 동시에 더하면서 계산을 진행하여 축방향 하중에 의한 손상량과 전단방향 하중에 의한 손상량의 합이 1.0이 되면 계산을 종료하며 이때까지 계산된 각각의 손상량을 이용하여 제4b도에 의한 하중-수명 곡선에 의해 점용접부에 대한 수명을 계산한다(S50).At the same time, the amount of damage caused by the axial load and the amount of damage caused by the shear load are simultaneously added simultaneously in the steps S41 and S42. When the sum of the damages by the sum is 1.0, the calculation is finished, and the lifespan for the spot weld is calculated by the load-life curve according to FIG. 4b using the damages calculated up to this time (S50).
이와 같이 본 발명은 차체 구조물을 결합시키는 점용접부를 유한요소 해석을 통해 전단 하중 및 축방향 하중에 대해 복합적으로 해석함으로써 점용접부에 다축 하중이 불규칙적으로 작용하는 경우 그에 상응하는 내구 수명을 정량적으로 예측할 수 있을 뿐만 아니라 그 현상파악을 신뢰할 수 있도록 한다.As described above, the present invention is capable of quantitatively predicting the endurance life corresponding to the case where the multi-axial load acts irregularly on the spot weld by analyzing the spot welds that couple the vehicle structure complexly through the shear load and the axial load through finite element analysis. Not only can it be trusted, but it also helps to identify the phenomenon.
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