This paper introduces a methodology to model the thermal buckling based on a finite element method and to predict the critical temperature of the sheet metal structures.
For the modeling, the spot-welded column that consists of a hat-shaped thin panel and a flat thick plate was considered. When thermal strain is constrained, compressive stress is generated in the column and buckling occurs when the stress exceeds its critical value. The commercial software (ABAQUS/Standard) was used to conduct finite element analysis. To simulate the thermomechanical process, heat transfer analysis and mechanical analysis were sequentially coupled. The transient nodal temperature output was imported to the nonlinear buckling analysis.
Unlike mechanical buckling, an explicit axial shortening of the structures cannot be measured in thermal buckling. Therefore, it is difficult to investigate the relationship between force and displacement and to predict the critical temperature. Instead, out-of-plane displacement of the surface was observed to determine its relationship with the reaction force and temperature. Also, determination methods of onset of buckling were also investigated to obtain the accurate critical temperature of structures.
To validate the predictions, the column specimens were fabricated and experimental verification was conducted with the universal testing machine and the Infrared (IR) heater. In addition, imperfections in the testing system were added to the finite element model. Reaction force, transient temperature, and out-of-plane displacement were compared and the differences between the simulation and the experiment were discussed.
본 논문에서는 유한요소법을 이용하여 판금 구조물의 열좌굴을 예측하고 임계온도를 결정하는 방법론을 제시한다.
열좌굴을 모델링 하기 위해 모자 형상 단면의 박판과 평평한 후판을 스폿 용접한 기둥 시편이 설계되었다. 열변형이 구속되면, 구조물 내에 압축응력이 형성되고 응력이 임계값을 넘어서는 순간 좌굴이 발생하게 된다. 이를 구현하기 위해 상용 유한요소 소프트웨어(ABAQUS/Standard)가 사용되었으며 열응력 해석을 위해 열전달 해석과 응력 해석이 연계되어 시간에 따른 절점온도가 비선형 좌굴 해석으로 전달되었다.
일반적인 좌굴과 다르게 열좌굴에서는 압축력 방향의 변위를 측정할 수 없으므로 표면에 수직한 면외 변위를 사용하여 좌굴의 시작점 및 거동을 조사하였다.
열좌굴 예측모델의 검증을 위해 실제 시편이 제작되었으며, 인장 압축 시험기와 복사열 히터를 사용하여 실험을 수행하였다. 또한 실험 시스템의 불완전성이 좌굴 거동에 큰 영향을 미침에 따라 유한요소 열좌굴 모델에 반영하였다. 실험과 해석에서 관찰한 반력, 온도, 그리고 면외 변위를 비교하고 두 결과 사이의 차이에 대해 비교하였다.
