자동차 샤시용 소성역 체결 볼트의 설계 및 피로 수명 평가

Abstract

볼트 체결부 (Bolted joints)는 조립이 간단하고 비용이 저렴해서 기계 부품 체결에 오래전부터 사용되어왔다. 볼트 체결부는 초기 축력이 부족하면 볼트가 작은 외력에도 풀리거나 부러져서 큰 사고로 이어질 수 있기 때문에 초기 축력을 높게 걸어주는 것이 매우 중요하다. 높은 초기 축력을 확보하기 위한 방법으로 소성역 체결 (Plastic region tightening)에 대한 관심이 많아지고 있다. 소성역 체결은 볼트에 항복 응력 이상의 높은 응력이 발생하기 때문에 소성역 체결을 사용하기 위해서는 볼트의 거동에 대한 체계적인 분석이 수반되어야 한다. 그러나 기존 연구들은 볼트를 소성 영역까지 분석하지 않았고 대부분 탄성 영역에서 볼트의 거동을 분석하였다. 또한, 대부분 규격 볼트를 사용하였으며 볼트의 형상이 볼트의 체결 거동에 미치는 영향은 충분히 분석되지 않았다. 피로에 관한 연구도 기존의 연구들은 시험을 통한 파단 수명 측정, 내구 한도 측정 등에 관한 연구만 진행하였고 소성역 체결 볼트의 피로 수명을 예측하는 연구는 진행되지 않았다. 본 연구에서는 반응표면법 (Response Surface Method)을 통해 소성역 체결에 적합한 볼트 형상을 설계하였고 체결부에 외력이 작용할 때, 탄성역 체결 (Elastic Region Tightening)과 소성역 체결 시 볼트가 받는 외력의 영향에 대해 분석하였다. 또한, 피로 시험을 진행하고 시험기를 기반으로 제작한 피로 해석 모델을 구축하였고, 해석 결과와 응력-수명 법 (Stress-Life Method), 변형률-수명 법 (Strain-Life Method)으로 볼트의 피로 수명을 예측하였다.