[Stampack으로 보는 판재성형 #4] TFD, FLD만으로 찾기 어려운 파단을 어떻게 예측할까?
[Stampack으로 보는 판재성형 #4] TFD, FLD만으로 찾기 어려운 파단을 어떻게 예측할까?
3차원 응력 상태와 TFD를 이용한 Solid 판재의 파단 위험 평가
한 줄 요약
FLD가 판재의 면내 변형을 중심으로 성형한계를 평가한다면, TFD는 Solid 요소의 3차원 응력 상태를 고려해 복잡한 파단 위험을 평가합니다.
FLD만으로 모든 파단을 예측할 수 있을까?
FLD(Forming Limit Diagram)는 Shell 요소를 이용한 판재성형 해석에서 성형성과 파단 위험을 평가하는 대표적인 방법입니다.
하지만 실제 성형에서는 면내 인장뿐 아니라 굽힘, 압축, 전단 등 복잡한 응력 상태가 발생할 수 있습니다.
특히 작은 굽힘 반경, 두께 방향 압축 또는 표면 결함이 중요한 제품에서는 판재 두께 방향의 응력 상태까지 고려해야 보다 상세한 파단 평가가 가능합니다.
파단 위치뿐 아니라 발생 원인을 이해하는 것이 중요합니다.
복잡한 굽힘과 두께 방향 변형이 발생하는 영역에서는 Solid 요소를 이용해 판재 내부의 3차원 응력 상태를 함께 검토할 수 있습니다.FLD와 TFD는 무엇이 다를까?
Stampack Xpress는 요소 유형에 따라 서로 다른 파단 평가 기준을 사용합니다.
Shell 요소에서는 FLC(Forming Limit Curve)를 기준으로 FLD를 사용하고, Solid 요소에서는 TFC(Triaxiality Failure Curve)를 기준으로 TFD를 사용합니다.
| 구분 | FLD | TFD |
|---|---|---|
| 요소 | Shell | Solid |
| 응력 상태 | 평면응력 상태 | 3차원 응력 상태 |
| 파단 기준 | FLC | TFC |
| Diagram | Forming Limit Diagram | Triaxiality Failure Diagram |
| 주요 활용 | 일반적인 박판 성형성 평가 | 복잡한 응력 상태 및 Solid 파단 평가 |
TFD의 핵심, Triaxiality란?
TFD에서는 단순히 판재가 얼마나 늘어났는지만 보는 것이 아니라, 소재가 어떤 응력 상태에서 변형되고 있는지를 함께 고려합니다.
이를 나타내는 대표적인 지표가 Stress Triaxiality입니다.
같은 수준의 소성변형이 발생하더라도 인장, 전단, 압축 등 응력 상태가 달라지면 재료가 파단에 도달하는 조건도 달라질 수 있습니다.
TFD는 이러한 응력 상태의 영향을 파단 평가에 반영합니다.
같은 변형률 = 같은 파단 위험은 아닙니다.
재료가 어떤 응력 상태를 거쳐 변형되었는지에 따라 파단 조건이 달라질 수 있기 때문에Solid 해석에서는 3차원 응력 상태를 고려하는 것이 중요합니다.
TFC와 TFD는 어떻게 읽을까?
TFC(Triaxiality Failure Curve)는 Stress Triaxiality에 따라 재료가 파단에 도달하는
한계 변형률을 나타냅니다.
Solid 해석에서 계산된 응력 및 변형 상태를 TFC와 비교해 파단 위험을 평가하는 것이 TFD입니다.
| 상태 | 판단 |
|---|---|
| TFC 아래 | 현재 응력 및 변형 상태가 파단 한계 이내에 위치 |
| TFC 근처 | 파단 한계에 접근한 상태로 추가적인 공정 검토 필요 |
| TFC 초과 | 파단 위험이 높은 상태 |
파단까지 얼마나 여유가 남았을까?
Stampack Xpress의 TFD Coefficient는 Solid 해석에서 현재 상태가
TFC의 파단 한계에 얼마나 접근했는지를 수치로 나타냅니다.
| TFD Coefficient | 의미 |
|---|---|
| 0 | 변형이 발생하지 않은 상태 |
| 100 미만 | TFC의 파단 한계에 도달하기 전 상태 |
| 100 | 현재 상태가 TFC와 일치하여 재료의 변형 잠재력을 100% 사용한 상태 |
| 100 초과 | 일반적으로 재료 파단에 해당하는 영역 |
100을 기준으로 파단 위험을 확인합니다.
TFD Coefficient가 100에 가까워질수록 TFC의 파단 한계에 접근하고 있으며,100을 초과한 영역은 파단 가능성이 높은 위치로 판단합니다.
Solid 해석에서는 무엇을 더 볼 수 있을까?
Shell 해석은 제품 전체의 성형성과 파단 위험을 빠르게 검토하는 데 유용합니다.
반면 Solid 해석은 판재의 두께를 직접 모델링하기 때문에
두께 방향의 응력과 변형 상태를 보다 상세하게 확인할 수 있습니다.
Shell제품 전체의 성형성과 크랙 위험 위치를 빠르게 확인하는 데 유용합니다. |
Solid두께 방향의 응력과 변형을 고려해 크랙 위치뿐 아니라내측과 외측 등 파단 방향까지 상세하게 검토할 수 있습니다. |
실제 파단과 비교하면?
Solid 해석의 장점은 실제 제품에서 발생하는 국부적인 파단 형태와
해석 결과를 보다 상세하게 비교할 수 있다는 점입니다.
특히 작은 굽힘 반경에서 발생하는 내·외측 변형 차이를 확인하는 데 유용합니다.
해석 결과는 실제 결함의 위치와 형태를 함께 비교해야 합니다.
단순히 최대값만 확인하기보다 실제 크랙 위치와 해석에서 예측된 위험 영역이일치하는지 확인하는 것이 중요합니다.
어떤 경우에 Solid + TFD를 검토해야 할까?
모든 판재성형 해석을 Solid 요소로 수행할 필요는 없습니다.
하지만 두께 방향의 변형이나 복잡한 응력 상태가 중요한 경우에는
Solid 해석과 TFD 평가를 검토하는 것이 좋습니다.
작은 굽힘 반경
판재 두께에 비해 굽힘 반경이 작아 내측과 외측의 변형 차이가 큰 경우두께 방향 압축
코이닝이나 아이어닝처럼 공구 간격이 판재 두께보다 작아지는 공정표면 결함 예측
단순한 파단 위치가 아니라 제품 표면에서 발생하는 국부적인 결함을 확인해야 하는 경우내측 / 외측 크랙 확인
굽힘부의 어느 표면에서 파단 위험이 높은지 구분해야 하는 경우실무에서는 이렇게 확인합니다
1. Shell 해석으로 전체 성형성 확인
먼저 FLD를 이용해 제품 전체의 파단 위험 위치와 성형성을 빠르게 검토합니다.2. 상세 검토가 필요한 위치 선정
작은 굽힘 R, 국부 파단 또는 표면 결함이 예상되는 위치를 확인합니다.3. Solid + TFD로 상세 평가
두께 방향을 포함한 3차원 응력 상태와 TFD Coefficient를 확인합니다.4. 실제 결함과 비교
해석에서 예측한 위험 위치와 내·외측 방향이 실제 제품의 결함과 일치하는지 비교합니다.
FLD와 TFD는 경쟁 관계가 아니라 적용 대상이 다른 파단 평가 방법입니다.
FLD
Shell 요소의 평면응력 상태에서 Major Strain과 Minor Strain을 FLC와 비교해일반적인 판재 성형성과 파단 위험을 평가합니다.
TFD
Solid 요소의 3차원 응력 상태에서 Stress Triaxiality와 TFC를 이용해복잡한 응력 상태에서의 파단 위험을 평가합니다.
TFD Coefficient
100은 현재 상태가 TFC의 파단 한계에 도달한 것을 의미하며,100을 초과한 영역은 일반적으로 파단에 해당합니다.
실무 메시지
전체 성형성은 Shell + FLD로 빠르게 검토하고,작은 굽힘 반경이나 표면 결함처럼 두께 방향의 상세한 평가가 필요한 영역은
Solid + TFD로 추가 검토하는 방법이 효율적입니다.
문의 및 상담
(주)CAE테크놀러지
전화: 02-2658-5695
이메일: info@caetech.co.kr
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