[논문]균열면에 작용하는 내압과 열전달의 영향을 고려한 노즐부의 응력확대계수 해석

정민중; 김영진; 강기주; 범현규; 표창률

doi:10.22634/ksme-a.2000.24.9.2252

균열면에 작용하는 내압과 열전달의 영향을 고려한 노즐부의 응력확대계수 해석
Stress Intensity Factor Analysis of Nozzle Considering Pressure and Heat Transfer on Crack Face 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.24 no.9 = no.180, 2000년, pp.2252 - 2258

정민중 (성균관대학교) , 김영진 (성균관대학교) , 강기주 (전남대학교) , 범현규 (전남대학교) , 표창률

Abstract ▼ AI-Helper

In order to investigate the effect of nozzle on stress concentration in pressure vessels, three dimensional finite element analyses were performed. The results were compared with those for corresponding two dimensional axisymmetric finite element analyses. A three dimensional finite element model with a surface crack was also designed to evaluate the effect of internal pressure and heat transfer on crack face, and the resulting stress intensity factors from the finite element analyses were compared with those for ASME Sec. XI and Raju-Newman's stress intensity factor solution. As a result, the validity of currently available stress intensity factor solutions for a surface crack was reviewed in the presence of geometrical complexity, heat transfer and internal pressure.

주제어

AI 본문요약
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가설 설정

일반적으로 최대응력은 노즐의 끝단인 “A” 지점에서 발생하지만 “B” 지점은 실제 용접부에 해당하여 균열 발생 가능성이 높아 이 지점에 균열을 가정하였다. 이때 결함깊이 a는 벽두께의 20%인 9.65 mm, 결함길이 2c 는 19.30 mm인 반타원형 결함으로 가정하였다. Fig.
4는 본 논문에서 가정한 결함의 위치와 크기를 나타낸다. 일반적으로 최대응력은 노즐의 끝단인 “A” 지점에서 발생하지만 “B” 지점은 실제 용접부에 해당하여 균열 발생 가능성이 높아 이 지점에 균열을 가정하였다. 이때 결함깊이 a는 벽두께의 20%인 9.

제안 방법

따라서 대부분의 경우에는 응력해석 시 소요되는 시간과 경비를 절약하기 위하여 3차원 형상을 2차원 축대칭 모델로 변환하여 응력해석을 수행하고 있다.。) 그러나 본 논문에서는 압력 용기 상부 노즐부를 고려한 3차원 유한요소 해석과 압력용기 노즐에 대한 2차원 축대칭 유한요소 해석을 각각 수행하고 그 결과를 비교 검토하였다. 응력해석에는 범용 유한요소 프로그램인 ABAQUS(6)< 사용하였다.
또한 결함을 포함한 노즐부와 상부헤드부에 내압 및 열전달이 작용하는 경우에 대한 3차원 유한요소해석을 수행하였다. 이때 해석결과로부터 결함 면에 작용하는 내압과 결함면에서의 열전달이 실제 응력확대계수 값에 미치는 영향을 정량적으로 평가하였다.
XI 식과 Raju-Newman 식에 적용하여 응력확대계수 값을 구하였다. 또한 직접 X 계산법에 의하여 응력확대계수에 미치는 결함면의 내압과 열전달의 영향을 정량적으로 평가하였다. 본 논문에서 얻은 결론은 다음과 같다.
본 논문에서는 먼저 압력용기 상부와 노즐의 형상을 고려한 3차원 유한요소해석결과와 단순화한 2차원 유한요소해석결과를 비교하였다. 또한 결함을 포함한 노즐부와 상부헤드부에 내압 및 열전달이 작용하는 경우에 대한 3차원 유한요소해석을 수행하였다.
또한 결함을 포함한 노즐부와 상부헤드부에 내압 및 열전달이 작용하는 경우에 대한 3차원 유한요소해석을 수행하였다. 이때 해석결과로부터 결함 면에 작용하는 내압과 결함면에서의 열전달이 실제 응력확대계수 값에 미치는 영향을 정량적으로 평가하였다. 본 논문에서는 이러한 평가를 기반으로 ASME Sec.

대상 데이터

2차원 응력해석에 사용된 모델은 Fig. 3과 같이 노즐부만을 축대칭 으로 단순화하였으며 , 요소수는 260개, 요소형태는 8절점 축대칭요소를 사용하였다.
부르기로 한다. Fig. 6은 직접 K 계산법에서 사용한 유한요소모델이며 모델에 사용된 요소수는 2, 726개이고 절점의 수는 14, 489개이다.
1은 본 논문에서 사용한 압력용기의 형상을 나타낸 것이다. 압력용기 상부헤드의 내측 반경은 1092.2 mm, 두께는 48.3 巾, ”이며 본 논문에서는 상부 좌측 노즐을 고려하였다.
2는 압력용기의 3차원 응력해석에 사용된 유한 요소 모델로 전체모델의 대칭성을 고려하여 전체의 1/8만을 모델링하였다. 해석에 사용된 요소수는 총 1, 814개로 20절점 등계수 사각주요소(20-node isoparametric brick element)를 사용하였다.

데이터처리

본 논문에서는 이러한 평가를 기반으로 ASME Sec. XI 식과 Raju-Newman 식으로 구한 응력확대계수 값과 실제 유한요소해석으로 구한 응력확대계수값을 비교, 분석하였다.
。) 그러나 본 논문에서는 압력 용기 상부 노즐부를 고려한 3차원 유한요소 해석과 압력용기 노즐에 대한 2차원 축대칭 유한요소 해석을 각각 수행하고 그 결과를 비교 검토하였다. 응력해석에는 범용 유한요소 프로그램인 ABAQUS(6)< 사용하였다.

이론/모형

응력확대계수 계산은 현재까지 제시된 것 중에서 가장 정확하다고 알려진 Shih등的의 영역적분법에 의하여 ./-적분을 구한 후 이를 응력확대계수로 환산하는 방법을 사용하였다. 평면변형률 조건에서의 J-적분과 응력확대계수의 관계는 다음과 같다.
형상을 고려한 응력해석을 수행하고, 그 결과를 ASME Sec. XI 식과 Raju-Newman 식에 적용하여 응력확대계수 값을 구하였다. 또한 직접 X 계산법에 의하여 응력확대계수에 미치는 결함면의 내압과 열전달의 영향을 정량적으로 평가하였다.
XI 및 Raju-Newman 식에 의한 응력확대계수 값과 비교하여야 한다. 본 논문에서는 결함을 포함한 압력용기의 실제 기하학적 형상을 모사해 3차원 유한요소모델을 만들고, 결함선단(crack tip)에서는 응력의 특이성 (singularity)을 나타내기 위하여 특이요소(singular element) 인 20-nodes quarter-point brick element를 사용하였다. 응력확대계수 계산은 현재까지 제시된 것 중에서 가장 정확하다고 알려진 Shih등的의 영역적분법에 의하여 .
본 논문에서는 결함을 포함한 압력용기의 실제 기하학적 형상을 모사해 3차원 유한요소모델을 만들고, 결함선단(crack tip)에서는 응력의 특이성 (singularity)을 나타내기 위하여 특이요소(singular element) 인 20-nodes quarter-point brick element를 사용하였다. 응력확대계수 계산은 현재까지 제시된 것 중에서 가장 정확하다고 알려진 Shih등的의 영역적분법에 의하여 ./-적분을 구한 후 이를 응력확대계수로 환산하는 방법을 사용하였다.

성능/효과

(1) 하중조건이 내압인 경우, 결함면에 작용하는 압력을 고려한 직접 K 계산법은 이를 고려하지 않은 해석에 비하여 13% 정도 큰 응력확대계수를 나타낸다.
(2) 하중조건이 온도변화인 경우, 결함면의 열전달을 고려한 응력확대계수 해석은 이를 무시한 경우에 비하여 결함의 최심점에서는 22%, 표면점에서는 6% 정도 큰 값을 나타낸다.
8은 각각 3차원 응력해석과 2차원 응력해석으로 구한 벽두께 방향으로의 응력분포를 나타낸 것으로 각각 내압만 작용한 경우와 열응력이 작용한 경우의 결과이다. 3차원 응력해석 결과와 2차원 응력해석 결과를 비교하면, 내압이 작용하는 경우 2차원으로 구한 압력용기 내벽 쪽에서의 응력값이 3차원으로 구한 값보다 7% 크게 나타났다. 온도변화가 작용하는 경우 역시 압력 용기 내벽에서 2차원으로 구한 값이 9% 크게 나타났다.

참고문헌 (9)

김강수, 김태완, 이규만, 박근배, 1998, '가압기 헤드 및 노즐의 건전성 평가,' 한국원자력학회 춘계학술발표회 논문집(II), pp. 897-902
유영준, 김영진, 1996, '직경이 작은 원자력 배관의 파단전주설해석에 미치는 노즐의 영향,' 대한기계학회 논문집(A), 제A권, 제20권, 제6호, pp. 1872-1881

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Raju, I. S., and Newman, J. C. Jr., 1984, 'Stress-Intensity Factors for Internal and External Surface Cracks in Cylindrical Vessels,' Journal of Pressure Vessel Technology, pp.
ASME Section XI, Division 1, 1995, 'Rules for Inspection and Testing of Components of Light-Water Cooled Plants'
최성남, 이인철, 장기상, 1998, '원자력 압력용기 안전주입 노즐의 3차원과 축대칭 모델 유한요소해석,' 대한기계학회 춘계학술발표회 논문집(A), pp. 844-849
1998, ABAQUS User's manual, Hibbit, Karlsson & Sorensen, inc.
Shiratori, M., 1996, 'Analysis of Stress Intensity Factors for Surface Cracks subjected to Arbitrary Distributed Stresses,' Bulletin of the Faculty of Engineering , Yokohama National University, Vol. 35
Shih, C.F., Moran, B. and Nakamura, T., 1986, 'Energy Release Rate Along a Three-Dimensional Crack Front in a Thermally Stressed Body,' Int.J.Fracture, Vol. 30, pp. 79-102

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김진수, 최재붕, 김영진, 장기상, 최성남, 1998, '가압열충격사고시 클래드 효과가 응력확대계수에 미치는 영향,' 대한기계학회 재료 및 파괴부문 학술대회 논문집, pp. 106-112

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