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문제 정의
- 본 연구에서는 실험을 통해 용접이음부의 형상 및 구속 도의 크기 등을 변화시켜 측정한 용접 변형량과 FEM해석을 이용한 해석결과로부터 구속계수를 유도하고, 이를 고려한 등가하중(등가수축력과 등가 모멘트)를결정하는 새로운 방법을 제시했다. 이 방법을 이용하여 소형시험편의 변형량으로 부터 구조물의 크기 및 형상에 관계없이 대형구조물의 변형량을 예측할 수 있으며 이 방법의 유효성을 실험에 의해 검증하였다.
제안 방법
- 1) 구속상태의 시험편을 용접했을 때 발생하는 변형량과 동일 시험편을 Modeling하여 H.A.Z부 끝단에단위하중을 가하여 구한 각변형량과의 상관관계로부터구속계수를 유도하고 이를 고려한 등가하중 결정방법을제안하였다.
- 3.1 절에서 실험에 의한 용접변형량과 3.2절에서 동일 시험편을 Modeling하여 용접부에 단위하중을 가하여 구한 변형량의 상관관계로부터 구속계수를 구했다. 여기서 구속계수란 자유상태의 변형량을 기준으로 구속 재가 있는 경우 변형에 미치는 구속정도를 의미한다.
- 각변형은 용접용접부 뒷면에서 용접선 직각 방향으로 용접선 위치별 측정선을 표시하고 단부(y = 150mm(필렛용접) 또는 250mm(맞대기용접))에서 Gap자를 이용하여 측정하였다. 한편 필렛용접시 초기 변형량은 측정할 수 없을 정도로 작아 무시하였다
- 12는 필렛용접시의 각변형에 대한 구속계수를 보여 주고 있다. 구속계수를 구하는 방법은 맞대기용접의 횡수축구속계수와 동일하나, 실험에서 각변형측정위치는 실험을 용이하게 하기 위해 맞대기용접은 250mm이고, 필렛용접은 용접선 직각방향으로 150mm 떨어진 곳에서 구했다.
- 구속계수를 유도하기 위해 자유상태과 구속상태 하의 단위하중에 의한 변형량을 구했다. 구속재의 경우 실험편을 모델링하여 용접부에 단위하중을 부가하여 탄성 FEM해석을 통해 변형량을 구했고, 자유상태의 시험편은 식(1)과 식(2)을 이용하여 각변형량을 구하였다.
- 2은 맞대기용접 시험편의 자유상태(a)와 구속재가 있는 시험편(b)를 보여 주고 있다. 구속재가 있는시험편은 용접부의 다양한 구속도를 재현하기 위해 모재와 구속재의 두께 및 치수를 다양하게 변화시켜 실험하였다. Table 3 에 시험편의 치수를 보여 주고 있다.
- 10〜12에서 구한 구속계수와구조물 제작시 사용하는 용접형상에 따른 자유상태의변형량(貿 와 Of)을 D/B화한다. 다음 변형을 예측하고자 하는 구조물을 모델링하여 용접부에 단위하중을가하여 6uc와 Ouc를 구한다. 자유상태의 단위하중에의한 변형(Mif와 Ouf)은 식(1)과 식(2)에 의해 구한다.
- 3은 필렛시험편의 자유상태(a)와 구속 시험편 (b)을 보여 주고 있다. 맞대기시험편과 같이 다양한 구속도를 재현하기 위해 구속재의 두께 및 치수를 변화시켜 준비하였다. Table 4에 필렛시험편의 치수를 보여주고 있다.
- 변형측정은 횡수축량과 각변형량으로 나누어지는데횡수축량은 용접전 표점거리 100mm를 기준으로 용접후 변화량으로 측정하였다. 한편 본 실험편에서는 Fillet용접시 횡수축량의 변화가 미소하여 측정할 수없었다.
- 따라서 실제 구조물의 용접변형을 예측시 외적구속에 따른 등가하중의 크기를 예측하는 방법이 요구되고 있다. 본 연구에서는 임의의 구속상태의 구속정도를 고려한 등가하중의 크기를 결정하는 방법을 실험과 탄성해석을 통해 유도하였다.
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3.1 실험방법
실험에서는 맞대기용접과 필렛용접에 있어서 자유 상태의 변형량과 임의의 구속상태의 변형량을 측정하였다. 사용강재는 KSD3515, 용접재료는 YFWC50DX 이며 이들의 기계적 성질을 Table 2에 보여 주고 있다.
- 탄성FEM해석을 수행하였다. 실험에서는 자유상태의 시험편에서 발생하는 변형량과 구속된 시험편에서발생하는 변형량으로 부터 구속이 각변형에 미치는 영향을 고찰하였다. 한편 탄성FEM 해석에서는 시험에사용한 동일한 시험편을 모델링하여 용접부에 단위하중을 부가하여 발생한 변형량과 자유상태의 시험편에서변형량을 비교하였다.
- 여기서는 3.3절에서 구한 구속계수를 이용하여 등가하중을 계산하는 방법과 구속계수가 가지는 물리적 의미를 고찰하였다.
- 여기서는 3.3절에서 구한 구속계수를 이용하여 임의의 구속상태의 구조물에 대해 용접변형 예측 순서를 설명하고 이를 적용하여 얻은 변형예측 결과와 실험 결과를 비교함으로써 새로운 등가하중 결정방법의 타당성을 검증하였다.
- 여기서는 대형 구조물과 같이 다양한 구속상태가 용접변형에 미치는 영향을 구속계수로 유도하기 위해 실험과 탄성FEM해석을 수행하였다. 실험에서는 자유상태의 시험편에서 발생하는 변형량과 구속된 시험편에서발생하는 변형량으로 부터 구속이 각변형에 미치는 영향을 고찰하였다.
- 한편 탄성FEM 해석에서는 시험에사용한 동일한 시험편을 모델링하여 용접부에 단위하중을 부가하여 발생한 변형량과 자유상태의 시험편에서변형량을 비교하였다. 위의 실험과 탄성FEM 해석을통해 구한 변형량을 비교분석하여 용접 변형에 미치는구속의 영향을 구속계수로 유도하였다.
- 새로운 방법을 제시했다. 이 방법을 이용하여 소형시험편의 변형량으로 부터 구조물의 크기 및 형상에 관계없이 대형구조물의 변형량을 예측할 수 있으며 이 방법의 유효성을 실험에 의해 검증하였다.
- 이상으로부터 구한 각변형으로부터 등가하중 수정계수(8), Mf, Pf 를 계산할 수 있다. 최종적으로 등가하중으로 적용되는 Me와 Pc를 식⑶에 의해 구해 이를 하중으로 하는 탄성FEM해석을 수행하여 용접변형을 예측한다.
- 실험에서는 자유상태의 시험편에서 발생하는 변형량과 구속된 시험편에서발생하는 변형량으로 부터 구속이 각변형에 미치는 영향을 고찰하였다. 한편 탄성FEM 해석에서는 시험에사용한 동일한 시험편을 모델링하여 용접부에 단위하중을 부가하여 발생한 변형량과 자유상태의 시험편에서변형량을 비교하였다. 위의 실험과 탄성FEM 해석을통해 구한 변형량을 비교분석하여 용접 변형에 미치는구속의 영향을 구속계수로 유도하였다.
대상 데이터
- 사용강재는 KSD3515, 용접재료는 YFWC50DX 이며 이들의 기계적 성질을 Table 2에 보여 주고 있다. 한편 시험편의 좌표는 Fig.
- 가접시 간격은 500mm, 가접길이는 50mm로 하였다. 필렛용접은 반자동 FCA용접, 각장은 4.5mm(lPass)를 기준으로하였으며, 용접조건은 240A, 26V, 속도(V)는 7.8(mm/s) 을 사용하였다. Fig.
이론/모형
- 동일 시험편에 대해 종축은 구속상태의 시험편에서 즉정한 횡수죽량(3c)을 자유상태의 시험편에서 측정한 횡수축량(Sf)으로 나눈값이고, 횡축은 동일 구속시험편을 Modeling 하여 용접부에 단위하중을 가해 수치해석에서 구한 각변형량(Sue) 을 식(1) 에 의해 구한 자유상태의 단위하중에 의한 횡수축량 (duf)으로 나눈 값이다. 모든 시험편에 대해 동일한방법으로 종축과 횡축을 구한 후 서로 만나는 점들을 최소자승법에 의해 구속계수를 구했다. 한편 종 .
성능/효과
- 2) 본 연구에서 제안한 등가하중 결정방법에 의한 해석결과와 실험결과가 잘 일치하여 제안한 등가하중 결정 방법이 타당함을 보여 주었다.
- 3) 맞대기용접의 횡수축변형에서는 구속계수를 고려하지 않은 경우 용접시/종단부에서 실험값과 구속계수를 고려한 해석결과와 차이를 보여 구속계수의 타당성이 입증되었다. 각변형의 경우 구속계수의 영향을 크게받아 기존의 자유상태의 각변형량으로부터 등가 굽힘모멘트를 결정하여 해석하는 경우 실험결과와 많은 차이를 보였다.
- 4) 필렛용접의 경우 구속계수의 영향이 작으므로 자유 상태 의 각변 형량으로부터 등가굽힘모멘트를 결정 하여 적용하여도 임의의 구속상태에서의 각변형을 예측할 수 있다.
- 16은 맞대기용접시 발생하는 각변형에 대해 실험결과, 각변형 구속계수를 고려하지 않은 해석결과 그리고 구속계수를 고려한 해석결과를 두께별로 비교하여보여주고 있다. 결과에 의하면 구속계수를 고려하지 않은 해석결과는 실험결과보다 크게 발생하여 등가굽힘모멘트가 과대평가 되었음을 보여 주고 있다. 한편 구속계수를 고려하여 등가굽힘모멘트를 결정하여 각 변형을 예측하는 경우 모재의 두께, 적층방법 그리고 용접 길이에 관계없이 실험값과 잘 일치하여 본 연구에서 제안한 구속계수를 고려한 등가굽힘모멘트의 결정방법이 타당함을 보여 주고 있다.
- 17는 필렛용접시 발생하는 각변형에 대해 실험결과, 구속계수를 고려하지 않은 해석결과 그리고 구속계수를 고려한 해석결과를 두께별로 비교하여 보여주고있다. 결과에 의하면 실험결과와 해석결과는 거의 일치하고 있어 등가하중 결정시 구속계수의 영향을 거의 받지 않은 것을 알 수 있다. 이것은 Fig.
- 7에 보여 주고 있다(t = 10, 15mm). 결과에 의하면 자유상태의 경우 용접선에 걸쳐 거의 일정한 각변형이 발생하였으나, 구속상태의 각변형은 용접선 길이에 따른 구속정도에의해 용접시 . 종단부에서는 매우 작게 발생하였고 단부에서 중앙부로 갈수록 크게 발생하는 것을 알 수 있다.
- 결과에 의하면 구속계수를 고려하지 않은 해석결과는 실험결과보다 크게 발생하여 등가굽힘모멘트가 과대평가 되었음을 보여 주고 있다. 한편 구속계수를 고려하여 등가굽힘모멘트를 결정하여 각 변형을 예측하는 경우 모재의 두께, 적층방법 그리고 용접 길이에 관계없이 실험값과 잘 일치하여 본 연구에서 제안한 구속계수를 고려한 등가굽힘모멘트의 결정방법이 타당함을 보여 주고 있다.
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