Lightweight vehicle design is a recent mega-trend in the auto industries for improvement of fuel effi-ciency to meet consolidated emission-gas regulation. Lightweight design, however, must be accompanied by crashworthiness of auto-body for passenger safety. One of the solutions for the two contradicted problems is to replace conventional steels with lighter and stronger materials such as aluminum alloys and advanced high strength steels (AHSS) in order to achieve both enhanced crashworthiness and lightweight design of auto-body. AHSS and ultra high strength steel (UHSS) have been steadily developed by steel companies and the application of AHSS and UHSS have been rapidly expanded in auto-body structures.
The auto-body design is usually performed to achieve lightweight design with enhanced crashworthi-ness by numerical analyses which require reliable material data of steel sheets. The material properties need to be acquired at a wide range of strain rates. The strain rates in an auto-body at car crash are evaluated in a wide range such that the maximum strain rate reaches to 300/sec-500/sec while the minimum strain rate is near quasi-static. Such variation of strain rates has a significant effect on the material properties of auto-body structures. Generally the flow stress of a steel sheet tends to increase as the strain rate increases. For accurate designs and analyses, the material properties of steel sheets in auto-bodies need to be measured at a wide range of strain rates with an appropriate measurement procedure.
Many researchers have studied experimental methods to identify tensile properties of materials at in-termediate strain rates. The servo-hydraulic machine provides the advantages of precise control of the test speed at a wide range of strain rates, resulting that a generous portion of researches have been conducted with hydraulic testing machines for material properties at intermediate strain rates. Such experimental data for the tensile properties have to be acquired considering the standard uncertainty as well as the reliability and the traceability of the experiment. While the standardized test and verification methods have been established for the quasi-static tensile tests, the one for high strain rate tests has not be established. The standard testing method was proposed by ISO 26203-2 for the high strain rate tensile test in 2011, although there is not enough information about reliability assessment of measurement system. After the guide to the expression of uncertainty in measurement (GUM) was published, some of researchers conducted estimation of uncertainties in tensile properties. Beside many enthusiastic studies, uncertainty sources in determining the true stress with respect to the true strain have not been investigated at intermediate strain rates.
This paper is concerned with the standard uncertainty of the tensile properties of auto-body steel sheets at intermediate strain rates ranged from 1/sec to 100/sec. A procedure to obtain true stress-true strain data is properly designed for the experiment and data acquisition. An analytic model is then established to evaluate the standard uncertainty of the measurand of the true stress, which is a function of the input quantities: the tensile load; the initial length, the thickness and width of a specimen; and the deformed length of a specimen. Sources of uncertainties of the input quantities are evaluated for the high speed tensile test with their associated sensitivity coefficients. Uncertainty of the stress data acquired is also considered in the procedure of the fast Fourier transform (FFT) smoothing process used to remove unnecessary signals acquired from experiments. Image analysis using a high speed camera is carried out to measure deformation of the specimen during high speed tensile tests with proper uncertainty evaluation. A combined standard uncertainty is evaluated from the uncertainties of the input quantities as well as the influence factor for the true stress of auto-body steel sheets at intermediate strain rates. Some examples are presented for the standard uncertainty evaluation of auto-body steel sheets such as SPCC, DP590 and TRIP590. The results demonstrate that the standard uncertainty evaluation procedure has been successfully applied to various kinds of steel sheets.
Effects of the uncertainty on the dynamic deformation analysis are investigated using a stochastic approach which is called Monte Carlo method. The probability distribution of obtained true stress data is defined with the normal distribution function. The probability distribution function of the true stress is estimated by combining all probability distribution functions for the input quantities and influence quantities. The combination of the probability functions is shown to be properly approximated with the normal distribution function. Random samples are generated for the true stress data according to the normal distribution which is identified with measured true stress and the standard uncertainty. Generated random samples for the true stress data are applied into two numerical simulations; dynamic buckling analysis of a circular tube and crash analysis of a front side member. The effects of the uncertainty on the numerical analyses are evaluated with statistical observations of the analysis results. The results presented in the Monte Carlo simulations show similar level of variance to that of material properties. Consequently, the true stress data is obtained with properly evaluated measurement uncertainty and the effects induced by variability of material properties is statistically estimated on numerical analyses for crashworthiness evaluation of auto-body parts.
차량경량화는 연비향상과 배출가스 저감을 달성하기 위한 현재 자동차 산업계의 가장 큰 화두가 되고 있다. 차량경량화는 승객의 안전을 위한 충돌성능의 향상과 함께 이루어 져야만 한다. 차량 경량화와 충돌안전성을 동시에 향상하기 위하여 기존에 사용되어 오던 차체용 강판을 알루미늄 합금, 초고강도 강판 등 보다 가볍고 강도가 높은 재료로 대체하는 방법에 대한 연구가 진행되고 있다. 철강 생산업체들은 초고강도 강판의 개발을 위하여 지속적인 연구를 수행하고 있으며 이에 대한 차체의 적용이 확대되고 있는 실정이다.
충돌안전성을 확보한 경량차체의 개발은 주로 수치해석을 통하여 수행되는데 이는 정확한 물성치의 적용을 필요로 한다. 자동차 차체에 사용되는 재료의 물성치는 넓은 범위의 변형률속도 조건에서 측정되어야 할 필요가 있다. 차량 충돌 시 차체 내부에 분포하는 변형률속도는 준정적 변형률속도에서 국부적으로 최대 300/sec~500/sec 에 이르는 것으로 알려져 있다. 이러한 넓은 범위의 변형률속도의 분포는 차체를 구성하고 있는 부재들의 물성치에 민감하게 영향을 끼친다. 일반적으로 박판 금속재료의 유동응력은 변형률속도가 증가할수록 그 값이 증가하는 경향을 보인다. 따라서 정확한 설계 및 해석을 위해서는 차체에 사용되는 박판금속재료의 물성치가 넓은 변형률속도 범위에서 적합한 측정방법을 통하여 획득되어야만 한다.
많은 수의 연구자들은 지금까지 중고속변형률속도에서의 재료 물성치 측정을 위한 실험적인 방법을 연구해왔다. 그 중 유압식 장시를 이용한 고속인장시험은 시편에 부과되는 변형률속도를 정밀하게 조절하는 것이 가능하며 시험 중 변형률속도를 비교적 균일하게 유지할 수 있는 장점이 있어 최근 수행되고 있는 대다수의 고속인장시험 관련 연구는 유압식 시험기를 이용하여 수행되고 있다. 이러한 실험을 통하여 획득한 재료의 인장물성 데이터는 획득 결과의 신뢰도와 소급성이 평가되어야 하는데, 이는 측정불확도를 산출함으로써 확보하는 것이 가능하다. 준정적 변형률속도에서의 인장물성치 측정은 여러 표준기관에서 표준화 된 측정방법과 해당 측정방법의 표준교정 또는 검정시험 절차가 마련되어 있는 실정이나, 고속인장시험에 대한 표준화는 아직 미흡하여 고속인잘물성치에 대한 측정불확도 평가는 추가적인 연구가 필요한 실정이다. 지난 2011년 국제표준화기구(ISO)에서는 금속재료 고속인장 표준시험법을 제시하였으나 측정결과의 평가에 대한 언급은 매우 미흡한 상황이다. ISO에서 측정불확도 산출 가이드라인(the guide to the expression of uncertainty in measurement, GUM)을 발행 한 이후 인장물성치의 측정불확도 산출을 위한 연구가 점차 확대되고 있으나 지금까지의 결과는 모두 준정적 변형률속도에서의 인장물성치에 대하여 수행 된 실정이다.
본 논문은 1/sec~100/sec에 해당하는 중고속 변형률속도에서 획득한 자동차용 강판의 인장물성치의 측정불확도에 대한 연구이다. 먼저 중고속 변형률속도에서 진응력-진변형률 데이터 측정을 위한 시험방법 및 데이터 획득기법에 대한 연구를 수행하였다. 고속인장시험에서 시편의 변형을 측정하기 위한 영상처리 기법이 적용되었으며 고속인장시험에서 하중떨림에 의한 하중진동신호의 저감을 위한 신호처리 절차가 제시되었다. 진응력 결정을 위하여 하중, 변위, 시편의 초기치수 등의 입력량과 입력량 외의 영향인자에 대하여 정의하였다. 이후 진응력의 측정불확도 산출을 위하여 입력량 및 영향인자를 고려한 수학적 모델을 구성하였다. 각 인자의 표준불확도와 함께 측정량인 진응력에 대한 감도계수를 산출하였다. 제시된 측정절차와 측정불확도 산출방법을 이용하여 자동차용 강판인 SPCC, DP590, TRIP590에 대하여 변형률속도별 진응력-진변형률 데이터를 측정하고 각 데이터의 측정불확도를 산출함으로써 제시된 방법이 일반적으로 적용될 수 있음을 확인하였다.
대입 물성치의 불확도가 수치해석의 결과에 미치는 영향을 정량적으로 고찰하기 위하여 진응력 측정불확도를 고려한 몬테 카를로 시뮬레이션을 수행하였다. 먼저 산출 된 진응력 측정불확도의 확률분포를 도출하고 확률분포의 형태가 정규분포함수로 표현됨을 고찰하였다. 진응력 측정불확도의 산출에 사용 된 모든 확률밀도함수를 합성하고 합성 된 결과가 정규분포함수와 매우 근접하게 일치하는 결과를 확인하였다. 측정불확도와 측정값으로 정의 된 정규분포함수에서 진응력의 임의 표본을 생성하고, 생성된 임의 표본을 두 종류의 수치해석에 적용하였다. 수치해석 예제로 원형튜브의 동적좌굴 현상과 자동차용 충돌에너지 흡수 부재인 프런트 사이드멤버 (front side member)의 충돌해석을 수행하였다. 두 종류의 충돌해석에 대한 몬테 카를로 시뮬레이션의 결과는 빈도분포의 도시와 함께 통계적으로 분석하였다. 수행 된 몬테 카를로 시뮬레이션 결과의 변동성은 대입 된 물성치의 측정불확도와 비교하여 보다 작거나 유사한 수준으로 관찰되었다.
본 논문의 연구를 통하여 중고속 변형률속도에서 자동차용 강판의 변형률속도별 진응력-진변형률 데이터가 적합하게 측정 되었으며 측정불확도 산출 결과 제시 된 측정 절차는 높은 신뢰도를 갖는 것이 확인되었다. 대입 물성치의 측정불확도는 수치해석을 통한 부재의 충돌성능 평가에 영향을 미치며 그 물성치의 신뢰도에 기인한 수치해석 결과의 변동성은 산출된 측정불확도로 예측하는 것이 가능함을 관찰하였다.
