어선 제작시 어선의 고속화 및 어로작업 등에 의한 내구성을 향상시키기 위해 선각재질이 가볍고, 강도, 화재 및 해수의 부식 등에 뛰어난 재료의 사용이 요구되어지고 있다. 이러한 어선으로서는 크게 FRP어선과 Al어선으로 대별할 수 있다. 그러나 FRP어선은 가볍고 강도는 우수하나 인화성이 높아서 열에 매우 약하고 선박 제작 과정에 있어 인체에 해로운 유해성분이 발생할 뿐만 아니라, 폐선의 경우 산업폐기물로써 환경 오염에 큰 영향을 미치고 있다. 그런 반면에, Al어선은 FRP어선의 단점을 보완할 수 있는 재료로써, 고강도 및 경량화의 효과를 낼 수 있고, FRP어선보다 인화성이 낮아서 열에 강하고, 내구성이 높아 해수의 부식방지에 뛰어나므로 Al 어선의 개발이 시급한 실정이다. 그러나, 알루미늄 합금은 용접성이 좋지 않고 용접변형 및 균열이 발생하고, 건조 비용이 비싸다는 단점이 있다. 따라서, 본 연구에서는 Al 합금 접합시의 문제점 해결방안으로 용접이음부의 새로운 형상을 개발하고 개발한 신형상에 대한 역학적 거동을 규명하고자 하였다. 이를 위해, 먼저 평판 이론을 이용하여 구조부재를 단순화하여 평판, 보강판, 신형상에 대하여 해석함으로써 강도를 비교 검토하고, 이러한 결과를 토대로 자체 개발된 용접열전도 및 용접열응력 수치해석 프로그램을 사용하여 평판과 신형상의 온도분포, 용접잔류응력, 인장, 압축시의 강도를 수치시뮬레이션을 통하여 비교, 검토하였다. 또한, 인장 시험편을 제작하여 실험을 통하여 강도를 비교함으로써 신형상에 대한 적용 가능성 및 역학적 우수성을 입증하고자 하였다.
어선 제작시 어선의 고속화 및 어로작업 등에 의한 내구성을 향상시키기 위해 선각재질이 가볍고, 강도, 화재 및 해수의 부식 등에 뛰어난 재료의 사용이 요구되어지고 있다. 이러한 어선으로서는 크게 FRP어선과 Al어선으로 대별할 수 있다. 그러나 FRP어선은 가볍고 강도는 우수하나 인화성이 높아서 열에 매우 약하고 선박 제작 과정에 있어 인체에 해로운 유해성분이 발생할 뿐만 아니라, 폐선의 경우 산업폐기물로써 환경 오염에 큰 영향을 미치고 있다. 그런 반면에, Al어선은 FRP어선의 단점을 보완할 수 있는 재료로써, 고강도 및 경량화의 효과를 낼 수 있고, FRP어선보다 인화성이 낮아서 열에 강하고, 내구성이 높아 해수의 부식방지에 뛰어나므로 Al 어선의 개발이 시급한 실정이다. 그러나, 알루미늄 합금은 용접성이 좋지 않고 용접변형 및 균열이 발생하고, 건조 비용이 비싸다는 단점이 있다. 따라서, 본 연구에서는 Al 합금 접합시의 문제점 해결방안으로 용접이음부의 새로운 형상을 개발하고 개발한 신형상에 대한 역학적 거동을 규명하고자 하였다. 이를 위해, 먼저 평판 이론을 이용하여 구조부재를 단순화하여 평판, 보강판, 신형상에 대하여 해석함으로써 강도를 비교 검토하고, 이러한 결과를 토대로 자체 개발된 용접열전도 및 용접열응력 수치해석 프로그램을 사용하여 평판과 신형상의 온도분포, 용접잔류응력, 인장, 압축시의 강도를 수치시뮬레이션을 통하여 비교, 검토하였다. 또한, 인장 시험편을 제작하여 실험을 통하여 강도를 비교함으로써 신형상에 대한 적용 가능성 및 역학적 우수성을 입증하고자 하였다.
Manufacture of fishing vessel is needed the effective material for light, strength, fire and corrosion of water in order to improve durability by high-speed and fishing. These fishing vessel can be divided into FRP and AI alloys fishing vessel. FRP fishing vessel is light and effective for strength ...
Manufacture of fishing vessel is needed the effective material for light, strength, fire and corrosion of water in order to improve durability by high-speed and fishing. These fishing vessel can be divided into FRP and AI alloys fishing vessel. FRP fishing vessel is light and effective for strength but highly ignited and susceptible to heat during the manufacturing ship by-produce noxious component for human. In the case of a scrapped ship, it cause environmental pollution. On the other hand, aluminum is a material in return for FRP and has merit of high-strength and lightness. It's more heat proof and durable than FRP and superior to prevent from corrosion. Al alloys fishing vessel development is rising as an urgent matter. But, al alloy has some defect of bad weldability, welding transformation, cracks and overcost of construction. Therefore this study is to develop the new welding joint shape solving aluminum defects and mechanical behavior. First of all, strength was compared and reviewed by analysis of plate, stiffen plate, new model simplified by using plate theory. On the base of this result, plate and new model of temperature distribution, weld residual stress and strength of tensile, compressive force were compared and reviewed by finite element computer program has been developed to deal with heat conduction and thermal elasto plastic problem. Also, new model is proved application possibility and excellent mechanic by strength comparison is established to tensile testing result.
Manufacture of fishing vessel is needed the effective material for light, strength, fire and corrosion of water in order to improve durability by high-speed and fishing. These fishing vessel can be divided into FRP and AI alloys fishing vessel. FRP fishing vessel is light and effective for strength but highly ignited and susceptible to heat during the manufacturing ship by-produce noxious component for human. In the case of a scrapped ship, it cause environmental pollution. On the other hand, aluminum is a material in return for FRP and has merit of high-strength and lightness. It's more heat proof and durable than FRP and superior to prevent from corrosion. Al alloys fishing vessel development is rising as an urgent matter. But, al alloy has some defect of bad weldability, welding transformation, cracks and overcost of construction. Therefore this study is to develop the new welding joint shape solving aluminum defects and mechanical behavior. First of all, strength was compared and reviewed by analysis of plate, stiffen plate, new model simplified by using plate theory. On the base of this result, plate and new model of temperature distribution, weld residual stress and strength of tensile, compressive force were compared and reviewed by finite element computer program has been developed to deal with heat conduction and thermal elasto plastic problem. Also, new model is proved application possibility and excellent mechanic by strength comparison is established to tensile testing result.
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문제 정의
따라서. 본 연구에서는 알루미늄 합금의 물리적특성을 고례)하여 용접변형 및 용접균열을 막고용접 강도를 향상시키기 위한 용접이음부의 새로운 형상을 개발하고,그 타당성을 검토하고자 한다. 이를 위해 기존의 맞대기 용접이음부.
변위, 인장. 압축시의 거동등을 비교함으로써 신 형상에 대한 역학적 우수성을 입증하고자 하였다- 최종적으로는 각종 인장 실험결과를 토대로 어선재질의 경량화 및 구조강도의 적절한 설계 및 건조공법의 단순화를 도모하고자 한다.
가설 설정
9(a)의 그림은 맞대기 용접부를 인장하였을 경우의 용접잔류응력성분(bx)이며. (b) 도시한 그림은 압축시의 용접잔류응력성분((JX)의 분포이 다,
제안 방법
각각 12개의 인장시험편을 KS 및 JIS 규격을 참고63하여 제작한 후 10.000톤급 U.T.M 시험기를 사용하여 인장 시험을 수행하였다.
고전적 해석은 소형어선의 경우를 예를 들면 깊이 1.5m의 위치에서 길이(L):500mm의 단순빔으로 단순화하여 모멘트를 구하였으며, Butt 및 신형상의 단면치수는 선급규정의 소형어선 강선 규칙9)을 참조하여 보강재의 크기 (폭:30mm x 높이:7mm)와 간격을 선정하여 Fig. 2에 나타내었고, 하중조건은 수압을 고려하여 분포하중으로 w = 200(kgf/cnf)로 하였다. 또한, 모멘트의 계산은 열전도 및 열탄소성 해석시 A15083합금의 물리적 특성 및 기계적 제성질의 온도의 존성을 Table 1, Fig.
그 결과를 토대로 자체 개발된 용접열전도 및 용접열응력 수치해석 프로그램을 사용하여 비교 모델에 대해 준정상 상태로 구별되는 용접부 중앙단면에 대하여 순간열원을 고려한 열전도 및 열탄소성해석을 수행하였다.
열탄소성 해석의 입력 데이터는 열전도 해석시의 전과정의 온도분포 이력을 입력 데이터로 사용하였다. 맞대기 용접과 신형상의 용접방법으로는 Tig용접과 Seam 용접을 선정하여 수행하였다.
맞대기 용접부와 새로운 형상의 용접부를 모델링하여 수치해석을 통한 열전도 해석을 수행함으로써 온도분포를 비교하고, 이를 열탄소성 해석시의 입력 data로 하여 수치 시뮬레이션을 통해 용접잔류응력, 변위, 인장. 압축시의 거동등을 비교함으로써 신 형상에 대한 역학적 우수성을 입증하고자 하였다- 최종적으로는 각종 인장 실험결과를 토대로 어선재질의 경량화 및 구조강도의 적절한 설계 및 건조공법의 단순화를 도모하고자 한다.
이를 위해 기존의 맞대기 용접이음부. 보강판과 신형상에 대해 평판 이론을 이용하여 구조부재를 단순화하여 강도를 비교 검토하고. 재료의 온도 변화에 의한 물성치 (비저항, 열전도율.
본 연구에서는 먼저 평판이론(Plate theory) 에 의해 구조부재를 단순화하여 해석하였다. 그 결과를 토대로 자체 개발된 용접열전도 및 용접열응력 수치해석 프로그램을 사용하여 비교 모델에 대해 준정상 상태로 구별되는 용접부 중앙단면에 대하여 순간열원을 고려한 열전도 및 열탄소성해석을 수행하였다.
소성 전 영역에 걸쳐 항복강도, 탄성계수등의 재료정수의 온도의존성을 고려하였고, 소성 역에서는 소성유동(Plastic-flow)이론에 입각하여 증분형으로 나타내어 해석의 정도를 높였다. 또한.
시험체 용접시의 열분포 이력을 입력데이터로 하는 용접응력 해석결과를 비교해 보았다.
3에 나타내었다. 신형상의 경우는 시임용접을 수행하여, 시험편을 제작해야 되지만 AT합금시 임용접의 어려움으로 삼상 저주파 스폿용접기를 이용하여 스폿용접(It)을 수행하여 시험편을 제작하여적용가능성을 검토하였다.
보강판과 신형상에 대해 평판 이론을 이용하여 구조부재를 단순화하여 강도를 비교 검토하고. 재료의 온도 변화에 의한 물성치 (비저항, 열전도율. 비열, 밀도. 항복응력, 탄성계수. 열팽창계수)의 변화를 고려2)3)하여 용접현상을 정도 높게 시뮬레이션할 수 있는 자체 개발한 2차원 비정상 열전도해석 및 열탄소성 유한해석 프로그램을 이용하여 전모델에 대해 수치해석을 수행하였다.
대상 데이터
요소수는 맞대기 용접의 경우는 450개, 신형상의 경우는 500개이다. 모델의 크기는 역학적으로 자유로운 수축 및 팽창을 고려하여, 판 길이 (L): 500mm 폭(B):40mm 두께 (t):3imm로 모델링하여 해석을 수행하였다. 또한.
1)사용 하였다. 열탄소성 해석의 입력 데이터는 열전도 해석시의 전과정의 온도분포 이력을 입력 데이터로 사용하였다. 맞대기 용접과 신형상의 용접방법으로는 Tig용접과 Seam 용접을 선정하여 수행하였다.
또한. 전극의 크기는 KS 및 WES 규격6-8)등을 참고하여 19mm를 사용하였으며, 신 형상에 대한 용접조건은 규격 및 실제 작업조건등을 고려하여 Table 2을 사용하였다.
이론/모형
또한. 선형등방경화 법칙을 고려한 Von-Mises 항복조건을 항복함수로 사용하였다. 전변형율 (Total strain)증분은 아래 식과 같이 탄 .
성능/효과
(2) 수치 시뮬레이션 결과' 신형상의 경우가용 접이음부의 형상에 기인하여, 응력의 최대치가 적게 나타남을 보였다.
(3) 인장 시험 결과, 신형상의 경우 맞대기 용접 이음부보다 인장 강도가 더 높게 나타났으며, 신형상의 적용가능성을 입증하였다.
보였으며. (b)의 신형상의 경우는 시험체중앙부와 곡면부에서 응력이 집중됨을 보였으며, 이때 바깥쪽 면에는 인장성분이 안쪽면에는 압축성분이 교차함을 보이고 있다.
결과에 의하면, 신형상의 경우 맞대기 형상보다 인장 강도^가 높게 나타났으며. 각 시험편의 인장강도는 신형상>맞대기>겹치기 용접순으로 나타났다.
신형상의 경우는 각 성분별 차가 그다지 크게 발생하지 않았으며, 특히 y 및 z 방향 성분의 차가 크지 않았다. 또한, 신 형상의 경우 용접부의 곡면처리돤 좌우면에서 응력분포가 가장 크게 나타났으며, 높은 응력분포를 나타내는 영역이 폭방향으로 갈수록 급격히 감소함을 보이고 있다.
결과에 의하면. 시험체에 작용되는 굽힘응력은 신형상의 경우가 보강재로 강화한 맞대기 용접 시험체의 경우에 비해 #수준으로 나타났으며, 안전계수의 비율도 신형상의 경우가 4배 정도 우수한 것으로 나타났다. 이는 신 형상의 경우, 용접부의 형상 자체가 보강재로써의 역할을 충분히 할 수 있음을 보여주고 있다.
신형상의 경우 용접이음부 자체의 강도가 보강판보다 훨씬 뛰어나고. 충분한 보강재 역할을 할 수 있음을 알 수 있었다.
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