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문제 정의
- 본 논문에서는 다양한 균열형상비(a/c)와 균열 깊이비(a")에 대하여 유한요소 전기장 해석을 수 행하여 평판에 존재하는 반타원 표면균열에 대한 보정식을 제시하였다. 또한, 다채널 DCPD 시스템 을 이용한 실험을 통해 제시된 보정식의 유용성 을 검증하였다.
- 피로하중에 의해 표면균열이 성장하는 경우 균 열깊이비(a/r)와 균열형상비(a/c)가 동시에 변화하 며 성*) 장한다 따라서 DCPD법을 이용하여 표면 균열의 형상을 측정하기 위해서는 机와 a/c의 변 화를 동시 에 고려할 수 있는 보정 식이 필요하다. 본 논문에서는 이와 같은 보정식을 제시하기 위 해 유한요소 전기장 해석을 수행하였다. 먼저 ale 값을 일정하게 고정시키고 다양한 a”에 대한 해 석을 수행하여 깊이 변화에 따른 각 위치에서의 전압값의 변화를 분석하였다.
제안 방법
- 또한, 균열에 의해 발생하는 전압값의 차이(丫)를 측정하기 위해 균열면으로부터 상하 5 mm 떨어 진 곳에 위치한 절점에서 각각의 전압값의 차이 를 측정하였다. 전압측정단자의 위치가 균열면에 가까울수록 전압차가 크게 발생하여 민감도가 높 아지지 만, "' 본 논문에서는 실험시 편의 구성 을 고 려하여 5 mm로 설치하였다. 균열의 대칭성을 고 려하여 전압값은 균열의 중심으로부터 한쪽 방향으로 균열길이를 벗어나는 절점까지 일정간격을 두고 측정하였고, 그 간격은 균열형상에 비례하 도록 설정하였다.
- EDM 노치를 반타원 표면균열로 성장시키기 위해 25 ton 용량의 전기유압식 만능시험기를 사 용하여 시편에 3점 굽힘 피로하중을 가하였다. 하중을 가하는 동안 시편 표면에서 균열길이가 성장하는 것을 관찰하였다.
- 전압측정단자의 위치가 균열면에 가까울수록 전압차가 크게 발생하여 민감도가 높 아지지 만, "' 본 논문에서는 실험시 편의 구성 을 고 려하여 5 mm로 설치하였다. 균열의 대칭성을 고 려하여 전압값은 균열의 중심으로부터 한쪽 방향으로 균열길이를 벗어나는 절점까지 일정간격을 두고 측정하였고, 그 간격은 균열형상에 비례하 도록 설정하였다. 측정된 전압값V)을 무차원화하기 위하여 균열이 없는 경우 동일한 위치에서 측 정한 전압값(4)을 이용하여 다음과 같이 무차원 화하였다.
- 9는 전체적인 시스템의 구성도이다. 균열이 없는 시편(Specimen No. 1)과 균열이 있는 시편(Specimen No. 2)을 직렬로 연결하고 8 X의 정전류를 공급 하였으며, 다채널 DCPD 시스템을 이용하여 각 시편마다 4개의 채널을 설치하여 전압값을 측정 하였다. 상하 피로균열면의 접촉에 의해 발생하는 전류의 흐름을 방지하기 위해 최대 피로하중 을 시편에 가한 상태에서 전압값을 측정하였다.
- 본 논문에서는 유한요소 전기장 해석을 통해 반타원 표면균열에 대한 보정식을 제안하였으며 제안된 보정식은 시편 또는 구조물의 재질이나 두께에 무관하게 적용할 수 있다. 또한 다채널 DCPD 시스템을 이용하여 시편 또는 구조물에 존 재하는 반타원 표면균열의 깊이뿐만 아니라 균열의 형상까지도 실시간으로 측정할 수 있는 기법 을 개발하였다. 이와 같은 기법은 간단한 시스템 으로 구성되어 있고 경제적이므로 균열의 상시감 시를 위해 널리 적용될 수 있을 것이다.
- 한편, 시편의 양끝단에 정전류를 공급하기 위해 전류공급단자를 아르곤 용접(argon welding)을 이용하여 부착하였다. 또한, 균열면과 전압측정단자간의 간격은 해석과 동일하게 5 mm 로 설정하였으며, 각 단자간의 거리는 6 m成로 설 정 하였다. 전류공급단자와 전압측정 단자는 시 편과 동일한 재질을 사용하였으며 직경은 1.
- 1과 같이 모델 양끝단면 중앙에 위치한 절점(node)에 각 8 4와 0 4를 입력하였다. 또한, 균열에 의해 발생하는 전압값의 차이(丫)를 측정하기 위해 균열면으로부터 상하 5 mm 떨어 진 곳에 위치한 절점에서 각각의 전압값의 차이 를 측정하였다. 전압측정단자의 위치가 균열면에 가까울수록 전압차가 크게 발생하여 민감도가 높 아지지 만, "' 본 논문에서는 실험시 편의 구성 을 고 려하여 5 mm로 설치하였다.
- 본 논문에서는 다양한 균열형상비(a/c)와 균열 깊이비(a")에 대하여 유한요소 전기장 해석을 수 행하여 평판에 존재하는 반타원 표면균열에 대한 보정식을 제시하였다. 또한, 다채널 DCPD 시스템 을 이용한 실험을 통해 제시된 보정식의 유용성 을 검증하였다.
- 본 논문에서는 이와 같은 보정식을 제시하기 위 해 유한요소 전기장 해석을 수행하였다. 먼저 ale 값을 일정하게 고정시키고 다양한 a”에 대한 해 석을 수행하여 깊이 변화에 따른 각 위치에서의 전압값의 변화를 분석하였다. 이와 같은 방법으 로 다양한 균열형상비에 대하여 동일한 방식으로 해석을 수행하였으며, 이를 통해 특정범위 내의 a”와 a/c에 적용 가능한 보정식을 제시하였다.
- 본 논문에서는 4가지 균열형상비(a/c = 1/1, 1/2, 1/3, 1/4)에 대하여 유한요소 전기장 해석을 수행하였으며, 각 균열형상비마다 4가지 균열깊이비(alt = 1/6, 1/3, 1/2, 2/3)를 고려하여 해석을 수행하였다. 본 논문에서 수행한 균열형상비 및 균열 깊이에 대한 세부적인 치수는 Table 1에 정리하 였다.
- 본 논문에서는 균열의 형상을 반타원 표면균열 로 가정하고 이에 대한 보정식을 제안하였고 실 험에서도 균열중심으로부터 한쪽 방향으로만 측 정단자를 설치하였다. 하지만, 때로는 균열이 대 칭적으로 성장하지 않을 수도 있기 때문에 특정 위치에서의 균열깊이를 계산할 수 있는 보정식에 대한 향후 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- 본 논문에서는 유한요소 전기장 해석을 통해 반타원 표면균열에 대한 보정식을 제안하였으며 제안된 보정식은 시편 또는 구조물의 재질이나 두께에 무관하게 적용할 수 있다. 또한 다채널 DCPD 시스템을 이용하여 시편 또는 구조물에 존 재하는 반타원 표면균열의 깊이뿐만 아니라 균열의 형상까지도 실시간으로 측정할 수 있는 기법 을 개발하였다.
- 5构»이다. 본 논문에서는 전기장 해석을 위해 균 열면을 얇은 요소층으로 모델링한 다음 요소를 제거함으로서 균열부를 모델링하였다. 해석모델 에 정전류(constant current)에 의한 전기장을 형성 하기 위하여 Fig.
- 2)을 직렬로 연결하고 8 X의 정전류를 공급 하였으며, 다채널 DCPD 시스템을 이용하여 각 시편마다 4개의 채널을 설치하여 전압값을 측정 하였다. 상하 피로균열면의 접촉에 의해 발생하는 전류의 흐름을 방지하기 위해 최대 피로하중 을 시편에 가한 상태에서 전압값을 측정하였다. 전압값을 측정한 다음 피로균열에 의한 균열성 장을 표시하기 위해 시편을 고온노에 넣고 350t 에서 약 1시간 동안 가열하였다.
- 전압값을 측정한 다음 피로균열에 의한 균열성 장을 표시하기 위해 시편을 고온노에 넣고 350t 에서 약 1시간 동안 가열하였다. 시편의 파단면 을 관찰하고 실제 균열의 형상을 측정하기 위해 시편에 3점 굽힘 피로하중을 가하여 시편을 파단 시켰다.
- 앞서 서술한 바와 같이 전압측정단자의 위치에 따라 전압값의 민감도는 크게 변화하기 때문에 본 논문에서 제안한 보정식은 전압측정단자를 균 열면으로부터 상하 5 巾巾 떨어진 위치에 설치할 경우에 대해서만 적용이 가능하다.
- 유한요소 전기장 해석을 통해 제시한 보정식의 타당성과 유용성을 검증하기 위해 평판에 존재하는 표면균열에 대한 실험을 수행하였다. 시편의 형상은 해석에서 사용되었던 형상과 동일하게 제 작하였으며, 재질은 SM45C를 사용하였다.
- 그러나, 실제 시편이나 구 조물에 존재하는 표면균열의 형상비는 균열이 성 장함에 따라 그 값이 변화하므로 임의의 순간에서 균열형상비를 결정하기는 불가능하다. 이와 같은 문제를 해결하기 위해서 Table 2에 제시된 4개의 보정식의 각 계수(丸, 4)를 균열형상비에 대하여 선형적합(linear fitting)하였으며, 이를 Fig. 7에 나타내었다. Fig.
- 먼저 ale 값을 일정하게 고정시키고 다양한 a”에 대한 해 석을 수행하여 깊이 변화에 따른 각 위치에서의 전압값의 변화를 분석하였다. 이와 같은 방법으 로 다양한 균열형상비에 대하여 동일한 방식으로 해석을 수행하였으며, 이를 통해 특정범위 내의 a”와 a/c에 적용 가능한 보정식을 제시하였다.
- 이와 같이 측정된 전압값을 무차원화함으로써 시 편의 재질이나 두께에 따른 영향을 보정하였으며, ® 또한 실제 실험에 적용하였을 경우에도 시편의 온도변화에 따른 전압값의 변화를 이를 통해 보 정하였다.
- 본 논문에서 수행한 균열형상비 및 균열 깊이에 대한 세부적인 치수는 Table 1에 정리하 였다. 절점의 위치에 따라 균열과 무관하게 발생 하는 전압값(4)을 측정하기 위해 각 균열형상비 에 대해 균열이 없는 경우에 대한 해석을 수행하 였다. Fig.
- EDM 노치를 반타원 표면균열로 성장시키기 위해 25 ton 용량의 전기유압식 만능시험기를 사 용하여 시편에 3점 굽힘 피로하중을 가하였다. 하중을 가하는 동안 시편 표면에서 균열길이가 성장하는 것을 관찰하였다.
- 1에 도시한 바와 같다. 해석모델 은 20절점 3차원 전기요소를 사용하여 구성하였 으며, 전기전도율(electrical conductivity)은 일반 강 철재료에 대한 값인 AOxloHl/CQmm))을 사용하 였다.
대상 데이터
- 유한요소 전기장 해석을 통해 제시한 보정식의 타당성과 유용성을 검증하기 위해 평판에 존재하는 표면균열에 대한 실험을 수행하였다. 시편의 형상은 해석에서 사용되었던 형상과 동일하게 제 작하였으며, 재질은 SM45C를 사용하였다. Fig.
- 또한, 균열면과 전압측정단자간의 간격은 해석과 동일하게 5 mm 로 설정하였으며, 각 단자간의 거리는 6 m成로 설 정 하였다. 전류공급단자와 전압측정 단자는 시 편과 동일한 재질을 사용하였으며 직경은 1.5 mm로 제작하였다. 한편, 균열이 없는 경우에 대한 각 측정단자의 기준접압(μ。)을 측정하기 위하 여 균열이 없는 시편도 동일한 방법으로 제작하 였다.
- 전압값을 측정하기 위해서 저자들이 개발한 다 채널 DCPD 시스템⑺을 사용하였으며, Fig. 9는 전체적인 시스템의 구성도이다. 균열이 없는 시편(Specimen No.
이론/모형
- 유한요소 전기장 해석에는 범용 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS ⑺를 사용하였다. Fig.
성능/효과
- 3점 굽힘 피로하중을 시편에 가하는 동안 육안 으로 균열길이의 성장을 측정하였으며, 실험 후 최종적으로 측정된 균열길이(2c)는 43 mm3-, 총 7 mm 성장하였다. Fig.
- 4는 이와 같은 영향을 분석하기 위해 균열깊이가 0인 절점에서의 데이터를 제외한 나머지 데이터를 이용하여 측정절점 위치에서 의 균열깊이비를 전압값에 대하여 나타낸 것이 다. 각각의 균열깊이비에 대한 해석결과는 동일 한 경향을 나타내었으나 균열깊이비가 증가함에 따라 데이터가 수평 이동되는 경향을 나타내었 다. 이는 균열면의 면적의 영향으로 판단된다.
- 보 정식을 이용하여 계산한 결과는 균열의 중심을 기준으로 대칭적으로 나타내었으며, 균열의 길이는 실제 측정된 값을 사용하였다. 두 결과는 최 대 5%의 오차를 나타내었으나 전체적인 균열의 형상은 잘 일치하였다. 따라서 본 논문에서 제안 한 보정식은 시편이나 실제 구조물에 존재하는 반타원 표면균열의 형상을 예측하는데 적용 가능 할 것으로 판단된다.
- 동일한 균 열로부터 측정한 전압값은 측정절점에서의 균열 깊이가 증가함에 따라 증가하였다. 이를 통해 해 석으로부터 얻은 전압값이 측정절점에서의 균열깊이 변화를 잘 나타내고 있다는 것을 확인하였 다. 동일한 측정절점에서 측정한 전압값 또한 균 열깊이비가 증가함에 따라 증가하였다.
- 이는 균열면의 면적의 영향으로 판단된다. 즉, 균열면의 면적이 넓을수록 균열이 위치한 단 면에서의 전체적인 저항이 증가하며 이로 인해 전압값도 전체적으로 증가하는 것으로 판단된다. 이와 같은 영향을 보정하기 위해 Fig.
- 균열은 길이방향으로 많은 성장량을 보 인 반면 깊이방향으로는 미세한 성장량을 나타내 었다. 하지만 전체적인 피로균열의 형상이 반타 원 표면균열의 형상을 나타내어서 본 논문에서 제시한 보정식을 검증하기에는 적합하다고 판단 하였다. Fig.
후속연구
- 두 결과는 최 대 5%의 오차를 나타내었으나 전체적인 균열의 형상은 잘 일치하였다. 따라서 본 논문에서 제안 한 보정식은 시편이나 실제 구조물에 존재하는 반타원 표면균열의 형상을 예측하는데 적용 가능 할 것으로 판단된다.
- 본 논문에서는 균열의 형상을 반타원 표면균열 로 가정하고 이에 대한 보정식을 제안하였고 실 험에서도 균열중심으로부터 한쪽 방향으로만 측 정단자를 설치하였다. 하지만, 때로는 균열이 대 칭적으로 성장하지 않을 수도 있기 때문에 특정 위치에서의 균열깊이를 계산할 수 있는 보정식에 대한 향후 연구가 필요할 것으로 판단된다.
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