LS-DYNA S-ALE 기능을 활용한 폭발 성형 해석 방법

Introduction

폭발 성형은 펀치나 프레스를 사용하는 대신, 폭발물의 폭발로 방출된 에너지를 이용한 성형 가공법이다. 주로 물속에서 작업이 이루어지며, 폭발 에너지는 물을 중간 매체로 사용해 수중 충격파로 전달된다. 이 충격파가 Workpiece(금속판)에 충돌하면 Workpiece는 순간적으로 소성 변형을 일으키고, 하단에 위치한 Die(금형)의 형상에 맞춰 성형된다. 이를 통해 원하는 가공물을 얻을 수 있다. 폭발 성형은 주로 항공우주 및 항공기 산업에서 사용되며, 자동차 부품 생산에도 활용된다. 본 고에서는 Ansys LS-DYNA® S-ALE 기능을 활용한 폭발 성형 공정의 해석 방법을 소개하고자 한다.

■ 폭발 성형 해석 모델

그림 1은 폭발 성형 해석을 위한 모델을 보여준다. Die 상부에는 접시 모양의 Workpiece를 배치하고, 그 위에는 물이 채워질 수 있도록 구성하였다. 물의 중심부에는 구형으로 모델링된 TNT를 배치하였으며, 약 0.027kg의 TNT가 적용되도록 하였다. 모델의 제일 상부 영역은 공기층으로 설정하였다.

이 해석 모델은 효율성을 높이기 위해 ½ 대칭 모델로 구성되었으며, 절단 면에 대칭 조건을 설정하였다.
재료 물성은 Ansys Explicit Materials Library에서 제공하는 Structural Steel, Steel 1006, Air, Water, TNT를 각 파트에 적용하였다.

[그림 1] 폭발 성형 해석 모델

■ S-ALE Domain 및 S-ALE Fill 설정

S-ALE Domain은 가스 및 유체가 설정한 재료로 채워지고 이동할 수 있는 영역이다. 또한, 구조물과의 상호작용을 위해서는 해석 모델 전체를 커버하도록 모델링해야 한다. 폭발 성형 해석 모델의 주 Domain 영역은 공기층이며, 그림 2와 같이 전체 모델을 포함하도록 모델링하였다. 또한, 상세 설정 창에서 Reference Frame을 S-ALE Domain으로 변경하였다.

[그림 2] 공기층에 대한 S-ALE Domain 설정

물과 TNT는 S-ALE Domain 내에 채워지는 재료로서, 그림 3과 같이 Reference Frame을 S-ALE Fill로 변경하였다. 이때 모델링은 공기층과 별도로 구분하지 않고 겹쳐서 진행하며, 해석 과정에서 각 재료는 자동으로 모델링된 영역에 채워지게 된다.

[그림 3] 물과 TNT에 대한 S-ALE Fill 설정

S-ALE 영역 설정이 완료되면, S-ALE Domain의 격자 크기를 지정하기 위해 그림 4와 같이 S-ALE Mesh를 추가한다. 그림 5는 S-ALE Mesh의 격자 설정 창을 보여주며, 여기서 Domain 영역인 공기층을 선택한 후 각 방향에 대한 격자 크기를 지정한다. S-ALE 격자는 가스나 유체의 흐름을 정확히 모사하기 위해 조밀하게 설정해야 하지만, 격자가 너무 작으면 해석 시간이 길어질 수 있으므로 적절한 크기를 선택하는 것이 중요하다.

[그림 4] S-ALE Mesh 추가

[그림 5] S-ALE Mesh 설정

■ 해석 조건 설정

S-ALE Domain의 최외곽 면에는 유체의 흐름을 막거나 흘려보낼 수 있도록 Boundary Condition(경계 조건)을 설정해야 한다. 폭발 성형 모델의 경우, 유체가 외곽 면을 통해 자연스럽게 흘러 나갈 수 있도록 별도의 조건을 부여하지 않았다. 폭발 조건은 TNT 중심에서 폭발이 0초부터 바로 시작되도록 설정하였으며, 그림 6에서 이를 확인할 수 있다.

[그림 6] Detonation 시작 시간 및 위치 설정

그림 7은 구조와 유체의 상호작용을 위한 조건 설정 창을 보여준다. 여기서 구조물인 Die와 Workpiece는 Lagrange bodies로 설정하고, 나머지 유체 영역은 ALE Bodies로 지정한다. Fluid Structure Interaction Type은 ALE Structured FSI로 설정하여 구조와 유체 사이의 상호작용을 모사한다.

[그림 7] FSI Coupling 조건 설정

구조물 간의 접촉은 Body Interaction 조건으로 그림 8과 같이 Frictionless를 적용하였다.

[그림 8] Body Interaction 조건 설정

Die는 그림 9와 같이 모든 자유도에 대해 구속 조건을 부여하여, 움직임이 발생하지 않도록 고정하였다.

[그림 9] Rigid Body Constraint 조건 설정

폭발 성형 해석의 해석 시간은 0.001초로 설정하였으며, 등간격으로 100개의 데이터가 결과로 저장할 수 있도록 구성하였다. Data 개수는 폭발 과정의 변화를 상세히 기록할 수 있어 많으면 좋지만, 저장 공간이 늘어날 수 있기 때문에 적절한 개수로 설정이 필요하다.

■ 해석 결과

S-ALE의 해석 결과를 Mechanical 환경에서 확인하는 데는 제약이 있기 때문에 LS-Prepost를 사용하는 것이 더 편리하다. 그림 10은 폭발 하중을 받은 Workpiece의 변형 과정을 보여준다. 폭발이 시작된 중앙 지점에서부터 변형이 점차적으로 진행되며, Die의 형상에 따라 Workpiece가 접시 모양으로 성형되는 과정을 확인할 수 있다.

[그림 10] Workpiece의 변형 결과 영상

그림 11은 S-ALE 영역에서 물과 TNT의 압력 결과를 나타낸다. TNT의 폭발로 발생한 압력은 중간 매체인 물을 통해 전달되며, 물은 다시 Workpiece에 압력을 가하는 과정을 보여준다. 이를 통해 폭발 에너지가 매개체를 통해 어떻게 전파되어 성형에 영향을 미치는지 시각적으로 확인할 수 있다.

[그림 11] S-ALE 영역의 Pressure 결과 영상

그림 12는 Workpiece의 Von-Mises Stress와 Plastic Strain 결과를 나타내며, 항복 응력을 초과하는 소성 변형이 발생했음을 확인할 수 있다. 이는 Workpiece가 영구 변형을 겪었음을 의미하며, 폭발 성형 과정에서 목표한 변형이 성공적으로 이루어졌음을 보여준다.

[그림 12] Workpiece의 Von-Mises Stress 및 Plastic Strain 결과