[논문]선상가열 판변형 해석을 위한 고유변형도 영역의 결정법

장창두; 하윤석; 고대은; 문성춘

doi:10.3744/snak.2002.39.1.082

선상가열 판변형 해석을 위한 고유변형도 영역의 결정법
Determination of Inherent Strain Regions to Estimate Plate Deformation by Line Heating 원문보기

大韓造船學會論文集 = Journal of the society of naval architects of korea, v.39 no.1, 2002년, pp.82 - 89

장창두 (서울대학교 조선해양공학과) , 하윤석 (서울대학교 조선해양공학과) , 고대은 (서울대학교 조선해양공학과) , 문성춘 (서울대학교 조선해양공학과)

초록
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선상가열에 의한 판 변형 예측은 고유변형도법에 의해 효율적으로 예측할 수 있다. 종래의 용접에서의 고유변형도 결정 방법은 용접 실험을 통하여 온도분포와 강의 상변태 영역(Ac3)을 시편을 절단하여 계측하고 이를 고유변형도 영역으로 간주하는 것이었다. 선상가열의 현상은 용접과 유사하므로, 용접과 같은 조건 하에서 얻어진 결과를 그대로 선상가열 해석에 이용하여 왔으나 이 결과는 가열 패턴이나 판 두께에 제한을 가지고 있다. 또한 현장에서는 선상가열 후 수냉 처리하는데 그 과정에서 강이 원래의 상으로 돌아가지 않고 마르텐사이트가 되면서 전단 소성 변화를 일으킨다는 점에 착안하여, 본 연구에서는 종래에 시편의 온도계측과 상변태 영역을 직접 계측하는 파괴검사법을 FEM을 이용한 이론해석으로 대체하였다. 즉 임의의 적절한 열속 모델에 대한 온도 분포를 얻고, 조직변화에 따라 추가적으로 발생하는 소성 영역을 고려하기 위하여 공석 온도 영역까지 포함시켜 온도계측과 파괴실험 없이 순수한 이론만으로 고유변형도 영역을 결정하는 새로운 방법을 제안하였다. 이 방법으로 결정한 영역을 이용하여 판의 변형을 예측하고 실험 결과와 비교하여 잘 일치함으로써 본 논문에서 제안한 방법의 유효성을 입증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The inherent strain method is known to be very effective in predicting the plate deformation by line heating. Traditionally the inherent strain regions have been determined from the temperature distribution and the phase transformation regions(Ac3) of welding experiments. Since the phenomena of line heating are similar to those of welding, the experimental results under the same welding conditions have been applied directly to line heating analysis. The results cannot, however, reflect the effect of heating pattern and plate thickness. Besides, water-cooling in the actual heating process can alter the steel's phase to martensite and shear plastic deformation occurs during the transformation. In this study, the experimental measurement of temperature distribution was substituted with a transient heat transfer analysis using FEM so that we could obtain the temperature distribution according to heat flux models of the heating pass. In order to consider plastic strains occurring additionally under phase transformation, inherent strain regions were assumed to be limited to the eutectoid temperature(Ac1). Using the regions, plate deformations could be predicted to validate our method and the results were in good agreement with the experimental ones

주제어

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문제 정의

2장(1000mm X 1000mm x 25mm)의 선급 강종 mild A 시편을 사용하여 본 연구의 타당성을 검증하기 위한 실험을 수행하였다. Fig.
이것은 오스테나이트로부터 발생하는 것으로서 종전에 고유 변형도 영역으로 고려한 AC₃이외의 곳에서도 오스테나이트상이 있는 곳이면 소성변형 구간 이 생성된다고 볼 수 있다. 따라서 본 논문에서는 이러한 추가적인 소성영역을 고려하여 상변태가 일어나기 시작하는 Ac1을 합리적인 고유 변형도 영역으로 결정하는 것을 제안한다.
이 논문의 실험은 삼성중공업의 도움으로 이루어졌으며, 이에 감사드린다.

가설 설정

이 실험을 과도 열전달해석에 반영하기 위하여 해석시간을 구하여야 한다.가열시간으로부터 토치의 이동 속도를 구할 수 있으며 열 속의 영향 반경 은 일반적으로 3cm 정도를 가정(Jang, 2001)하 므로 이를 통하여 본 과도 열전달해석은 16.1초 동안 이루어졌다. 상변 태 시작 구간까지의 열전달 해석의 결과는 Fig.
1초 동안 이루어졌다. 상변 태 시작 구간까지의 열전달 해석의 결과는 Fig.8과 같이 주어지므로 제안한 대로 이 부분을 고유 변형도 영역이라고 가정한다.면 0.

제안 방법

가열방식이나 입열원의 용량, 그리고 판두께에 구애받지 않고 고유 변형도 영역을 결정하려고 하는 바, 이에 대해서는 FEM 과도 열전달 해석으로 종래의 실험을 대치하였다. 여기에는 Lee(1999)가 선상 가열 열탄소성 해석에 사용하던 강의 물성치를 그대로 사용하였다.
10과 같이 하나의 시편은 한 개의 가열선을 다른 하나에는 3개의 가열선을 두었다. 각판은 12.5cm씩의 등 간 격으로 81개의 측정점(9 by 9)을 펀치로 마킹하여 가열 전에 레이저 계측기로 초기 처짐을 측정하고 가열 후에 그 점들의 처짐을 다시 찍어본 후 그 편차를 굽힘에 의한 처짐량의 결과로 삼았다.
둘째, 선상가열 시 수냉이 유발하는 강의 재료적 특성을 역학적으로 해석하여 급속히 냉각되는 과정에서 발생하는 상변태를 고려함으로써 기존의 연구에서는 고려하지 못했던 추가 소성영역을 합리적으로 반영하였다.
이것은 모멘트가 작용하는 위치를 결정하기 때문에 탄성해석에서의 요소분할에 지침이 된다. 본 연구에서는 shell요소를 사용하여 탄성해석을 수행하였다.
따라서 상변태가 진행되는 구간이 발생하면 입열의 영향이 상대적으로 커지는 구간에 대한 경계를 형성하게 되므로 기존 연구에서 상변태와 열영향부를 관련시켰던 것은 합리적이었다. 이번 연구에서는 여기에 수냉으로 인한 추가 소성역을 고려하기 위하여 고유 변형도 영역을 상변태를 경험하는 모든 영역인 상변태 시작 시점(Ac)으로 결정할 것을 제안하였다. 이온 도는 탄소 함량에 무관한 것으로서 선상가열의 해 석에 범용성을 갖게 해 준다.
10과 같이 3개의 가열선이 있는 판을 해석할 경우 종래의 열탄소성 해석으로는 계산시간 때문에 해석이 거의 불가능하지만 고유 변형도 해석법으로는 수분 정도의 열전달 해석과 수초 내의 탄성해석 정도의 시간에 결과를 얻을 수 있다. 종래에 선 상가열의 고유 변형도 영역이 단순히 공식에 의해 도출되는 것에 비하여 본 연구에서는 영역의 새로운 제안에 의하여 열전달 해 석부분이 추가되었다. 그러나 열탄소성 해석에 비하여는 해석시간 면에서도 여전히 큰 장점을 지닌다.
7과 같은 모델링을 사용하였다 (Jang, 2001).특히 본 연구에서는 2차원 열 전 달해석으로 이동열 원의 특성을 반영하기 위해 과도해석을 수행하였다. 토치의 시간당 입열량은 가스압, 판과의 거리, 노즐 지름 등 많은 변수를 가지고 있다.

대상 데이터

가열방식이나 입열원의 용량, 그리고 판두께에 구애받지 않고 고유 변형도 영역을 결정하려고 하는 바, 이에 대해서는 FEM 과도 열전달 해석으로 종래의 실험을 대치하였다. 여기에는 Lee(1999)가 선상 가열 열탄소성 해석에 사용하던 강의 물성치를 그대로 사용하였다.

이론/모형

위빙과 수냉을 통한 선상가열 실험을 수행하고, 제시한 방법으로 고유 변형도 영역을 결정하여 변형량을 해석한 결과가 실험과 매우 근사함을 확인하였다. 현장의 가열 방식으로 고려된 위빙가열 패턴에 대해서는 위빙입열 모델링을 사용하였다 (Jang, 2001).이러한 고유 변형도 영역의 결정방법은 선상 가열보다 난해하게 여겨지는 삼각가열까지 해석을 확장하는 데 있어서 반드시 필요한 것이다.

성능/효과

첫째, 용접은 열원이 곧게 따라가는 경우에 대한 연구가 대부분이나 실제 선상가열은 열량을 판재에 분산 투입해 진행하는 위빙 방식을 이용하고 있다. 둘째, 외판의 곡가공을 위주로 하는 선상가열은 2차 부재의 조립을 위주로 하는 용접에 비해 가열판의 두께가 매우 두꺼운 경우까지 확장되며 작업 효율의 향상을 위해서 입열원의 크기도 점점 증가하는 추세다. 마지막으로 선상가열은 생산성을 위하여 가열 부위를 급속히 냉각시킨다.
마지막으로, 실제 현장조건에 부합하는 선상가열 실험을 실시하여 계산 결과와 비교하여 잘 일치함으로써 본 논문에서 제안한 해석법의 유효성을 입증하였다.
셋째, 임의의 가열 패턴에 대해서도 과도열 전 달해석만으로 고유 변형도 영역을 결정할 수 있도록 하였다. 또한, 기존의 연구 결과(Ko, 1999)와 결합하여 범용성을 증대시킴으로써 삼각가열의 해 석에도 응용할 수 있다.
위빙과 수냉을 통한 선상가열 실험을 수행하고, 제시한 방법으로 고유 변형도 영역을 결정하여 변형량을 해석한 결과가 실험과 매우 근사함을 확인하였다. 현장의 가열 방식으로 고려된 위빙가열 패턴에 대해서는 위빙입열 모델링을 사용하였다 (Jang, 2001).
이상의 연구를 통해 얻은 결론은 다음과 같다. 첫째, 선상가열 시 발생하는 강의상 변태를 고려하여 합리적인 고유 변형도 영역의 결정방법을 제안하였으며 이에 따라 선상가열에 의한 판의 변형을 효율적으로 예측할 수 있음을 보였다.

참고문헌 (10)

고대은, 장창두, 서승일, 이해우. 1999 '곡가공 자동화 시스템을 위한 선상가열에 의한 변형의 실시간 시뮬레이션,' 대한조선학회 논문집, 제36권 제4호, pp. 116-127

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이장현, 1999. '유한요소법과 다변수 해석을 이용한 선상가열 가공조건과 변형량과의 관계', 박사학위논문, 서울대학교
장창두, 고대은, 김병일, 박정웅. 2001 '열간가공에 의한 판의 변형특성에 관한 실험적 연구,' 대한조선학회 논문집, 제38권 제2호, pp.62-70

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장창두, 고대은, 문성춘, 서용록. 2001 '삼각가열에 의한 판 변형의 시뮬레이션,' 대한조선학회 논문집, 제38권 제4호

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장창두, 서승일, 고대은. 1997. '간이 열탄소성 해석을 이용한 선상가열에 의한 판의 변형 예측에 관한 연구,' 대한조선학회 논문집. 제34권 제3호. pp. 104-112

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장창두, 이창현. 2000 '선체 블록의 용접변형 예측 및 제어를 위한 연구,' 대한조선학회 논문집, 제37권 제2호, pp. 127-136

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하윤석. 2001. '후판 곡가공시 위빙가열에 의한 판의 변형 예측', 석사학위논문, 서울대학교
한준의, 방건웅, 황논문, 김창주, 조양구. 1995. '철강 열처리의 기본원리'. 반도출판사
Satoh, K., Matsui, S., Terai, K., Iwamura, Y., 1969 'Water-cooling Effect on Angular Distortion caused by the Process of Line Heating in Steel Plates', Jour. of the Society of Naval Architects of Japan, Vol. 126, (in Japanese)
Satoh, K and Terasaki, T., 1976. 'Effect of Welding Conditions on Welding Deformations in Welded Structure Materials', Jour. of the Japanese Welding Society, Vol. 45, No. 4. (in Japanese)

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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