[논문]실린더에 존재하는 축방향 표면균열에 대한 공학적 J-적분식 (I) - 변형소성에 기초한 방법-

김진수; 김윤재; 박영재; 김영진

doi:10.3795/ksme-a.2002.26.8.1672

실린더에 존재하는 축방향 표면균열에 대한 공학적 J-적분식 (I) - 변형소성에 기초한 방법-
Engineering J-Integral Estimation for Internal Axial Surface Cracks in Cylinders (I) -Deformation Plasticity Based Estimation- 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.26 no.8 = no.203, 2002년, pp.1672 - 1679

김진수 (성균관대학교 기계공학부) , 김윤재 (성균관대학교 기계공학부) , 박영재 (성균관대학교 기계공학부) , 김영진 (성균관대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper provides an engineering J estimation equation for cylinders with finite internal axial surfacecracks under internal pressure. The proposed equation is the J estimation equation based on deformation plasticity using Ramberg-Osgood (R-O) materials. Based on detailed 3-D FE results using deformation plasticity, plastic influence functions for fully plastic J components are tabulated for practically interesting ranges of the mean radius-to-thickness ratio, the crack depth-to-length ratio, the crack depth-to-thickness ratio. the strain hardening index for the R-O material, and the location along the semi-elliptical crack front. Based on tabilated plastic influence functions, the J estimation equation along the crack front is proposed and validated for R-O materials. Good agreements between the FE results and the proposed J estimation provide confidence in the use of the proposed method to elastic-plastic fracture mechanics of pressurized piping.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

0 그리고 400 MPa 을 사용하였으며 , ” 은 1(탄성), 3, 7, 10 으로 변화시켰다. 따라서 본 연구에서는 총 96 가지 균열형상에 대한 유한요소해석을 수행하였다.
이 논문에서는 실린더에 존재하는 축방향 표면균열에 대한 丿-적분 예측식을 GE/EPRI 방법에 근거하여 제시하였다. 이를 위해 먼저 다양한 3 차원 유한요소해석을 통해 소성역 영향 함수를 결정하였으며, 제시된 적분 예측식은 3 차원 유한요소해석 결과와 비교하여 타당성을 입증하였다.
이 연구에서는 실린더에 존재하는 축방향 표면균열에 대한 공학적 丿-적분 예측식을 제시하였다. 예측식은 변형소성이론에 기초한 GE/EPRI 방법에 근거하여 제시하였으며, R/=5, 20 인 경우(1<〃<10, 0.

가설 설정

유한요소해석에 사용된 재료는 다음 Ramberg- Osgood(R-O) 관계식을 만족한다고 가정하였다.

제안 방법

1 과 같이 내압 p 을 받는 배관에 존재하는 축방향 반타원 균열에 대한 3 차원 유한요소해석을 수행하였다. 균열 형상 변화가 J- 적분에 미치는 영향을 고려하여 균열깊이 대 배관 두께 비("를 0.1, 0.4, 0.75 로 변화시켰으며, 식 ⑴로 정의되는 무차원 균열길이(, 。)를 0.5, 1, 2, 3 으로 변화시켰다.
5, 1, 2, 3인 경 우에 대 해 3 차원 유한요소해석으로부터 얻은 한계하중을 식 (6)과 비교한 것으로 4% 이내로 잘 일치한다. 3 차원 유한요소해석은 광범위 항복(global yielding)에 기초하여 수행하였다. 본 연구에 사용된 한계하중해에 대한 보다 자세한 내용과 다른 한계하중해와의 비교는 참고문헌 (9)에 기술되어 있다.
내삽(interpolation)으로 인한 오차를 피하기위해 기존해©에 존재하는 특정한 형상을 비교하였으며, 해석결과는 균열각을 따라 나타내었다. Fig.
이러한 값은 Type 316, Type 304 스테인리스 강에 대한 전형적인 재료물성치이다. 또한 균열 형상 및 실린더 형상 변화에 따른 영 향을 보기 위 해 p, a/t, R/t 를 다양하게 변화시켰다.
배관의 평균반경 대 배관두께 비(R/)는 배관의 실제 크기를 고려하여 두가지 경우(5, 20)에 대한 해석을 수행하였다.
식 (4)에서 用 은 내압하에서 축방향 표면균열이 존재하는 실린더에 대한 소성 한계하중(limit load)을 나타낸다. 본 연구에서는 3 차원 유한요소해석에 기초한 해⑼ 를 사용하여 한계하중을 정의하였다.
본 연구에서는 Fig. 1 과 같이 내압 p 을 받는 배관에 존재하는 축방향 반타원 균열에 대한 3 차원 유한요소해석을 수행하였다. 균열 형상 변화가 J- 적분에 미치는 영향을 고려하여 균열깊이 대 배관 두께 비("를 0.
따라서 본 연구를 통해 제시된 적분식은 타당하다고 할 수 있다. 본 연구에서는 내압이 작용하는 경우에 대한 해석만을 수행하였다. 그러나 축방향 균열의 경우에는 모멘트가 J-적분에 큰 영향을 미치지 않으므로 본 연구에서 제시한 식은 실린더에 가해지는 일반적인 하중형태인 내압과 모멘트가 동시에 가해지는 경우에 확대 적용할 수 있다.
2 와 같이 대칭성을 고려하여 1/4만을 모델링하였으며 20 절점 등사각주요소 (20-node isoparametric quadratic brick element; C₃D20R)를 사용하여 1, 800 개의 요소(element)와 8, 817 개의 절점 (node)으로 구성하였다. 내압 작용시, 배관 끝단어! 압력에 해당하는 인장하중을 가하였으며, 균열면 압력 효과를 고려하였다.
제시하였다. 예측식은 변형소성이론에 기초한 GE/EPRI 방법에 근거하여 제시하였으며, R/=5, 20 인 경우(1<〃<10, 0.1<物<0.75, 0.5<°<3)에 대한 예측이 가능하다. 제시된 식은 임의의 균열형상과 재료물성을 가지는 재료에 대한 유한 요소해석결과와 비교하여 타당성을 입증하였다.
사용하였다. 유한요소모델은 Fig. 2 와 같이 대칭성을 고려하여 1/4만을 모델링하였으며 20 절점 등사각주요소 (20-node isoparametric quadratic brick element; C₃D20R)를 사용하여 1, 800 개의 요소(element)와 8, 817 개의 절점 (node)으로 구성하였다. 내압 작용시, 배관 끝단어! 압력에 해당하는 인장하중을 가하였으며, 균열면 압력 효과를 고려하였다.
제 안된 GE/EPRI 방식 의 J-적 분 예 측식의 타당성을 검증하기 위해 다양한 균열 형상에 대해 3 차원 유한요소해석을 수행하였다. 먼저 R-0 재료 물성치인 a와 n 은 각각 (i) a=4.

대상 데이터

다. 본 연구에서는 a와 J 는 각각 1.0 그리고 400 MPa 을 사용하였으며 , ” 은 1(탄성), 3, 7, 10 으로 변화시켰다. 따라서 본 연구에서는 총 96 가지 균열형상에 대한 유한요소해석을 수행하였다.

데이터처리

계산된 丿-적분은 경로 독립성이 잘 유지되었으며, 2~5 번째 경로에 대한 평균값으로부터 결정하였다
유한요소해석결과의 타당성을 입증하기 위해 유한요소해석으로부터 얻은 F 를 기존해㈤와 비교하였다. 내삽(interpolation)으로 인한 오차를 피하기위해 기존해©에 존재하는 특정한 형상을 비교하였으며, 해석결과는 균열각을 따라 나타내었다.
제시하였다. 이를 위해 먼저 다양한 3 차원 유한요소해석을 통해 소성역 영향 함수를 결정하였으며, 제시된 적분 예측식은 3 차원 유한요소해석 결과와 비교하여 타당성을 입증하였다.

이론/모형

GE/EPRI 방법은 ./-적분을 계산하기 위해 소성역 영향함수(plastic influence function)을 사용한다. 소성역 영향 함수는 3 차원 유한요소해석으로부터 얻어지며, 균열형상및 변형률 경화 지수(strain hardening exponent)의 영향을 받는다.
J-적분은 ABAQUS 에서 제공하는 영역 적분법을 이 용하여 유한요소해석 결과로부터 계산하였다. 계산된 丿-적분은 경로 독립성이 잘 유지되었으며, 2~5 번째 경로에 대한 평균값으로부터 결정하였다
유한요소해석은 범용 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS⑶를 사용하였다. 유한요소모델은 Fig.

성능/효과

내삽에 따른 오차범위를 고려하면 예측된 丿-적분 값은 모든 경우에 대해서 유한요소해석결과와 잘 일치하였다. 따라서 본 연구를 통해 제시된 적분식은 타당하다고 할 수 있다. 본 연구에서는 내압이 작용하는 경우에 대한 해석만을 수행하였다.
5<°<3)에 대한 예측이 가능하다. 제시된 식은 임의의 균열형상과 재료물성을 가지는 재료에 대한 유한 요소해석결과와 비교하여 타당성을 입증하였다.

참고문헌 (12)

Kumar, V. and German, M.D., 1988, Elastic-Plastic Fracture Analysis of Through-Wall and Surface Flaws in Cylinders, EPRI Report, NP-5596
Zahoor, A., 1991, Ductile Fracture Handbook, Vol. 2 Chapter 6 Axial Through-Wall Crack, Novetech Corp
Bergman, M., 1995, 'Stress Intensity Factors for Circumferential Surface Cracks in Pipes,' Fatigue and Fracture of Engineering Materials and Structures, Vol.18, pp. 1155-1172

상세보기
Kim, J.S., Kim, Y.J., and Kim, Y.J., 2002, 'Fracture Behavior Estimation for Circumferential Surface Cracked Pipe (I): J-Integral Estimation Solution,' Transactions of the KSME, A, Vol. 26, No. 1, pp. 139-146

원문보기 상세보기
Kim, J.S., Kim, Y.J., and Kim, Y.J., 2002, 'Fracture Behavior Estimation for Circumferential Surface Cracked Pipe (II): Finite Element Validation,' Transaction of the KSME, A, Vol. 26, No. 1, pp. 147-152

원문보기 상세보기
Raju, I.S. and Newman, J.C., 1983, 'Stress-Intensity Factors for Internal and External Surface Cracks in Cylindrical Vessels,' Journal of Pressure Vessel Technology, Vol. 104, pp. 293-298

상세보기
Appendix C, API Recommended Practice 579, 2000, American Petroleum Institute
ABAQUS Version 5.8 User's Manual, 1999, Hibbitt, Karlsson & Sorensen, Inc, RI
Kim, Y.J., Shim, D.J., Huh, N.S. and Kim, Y.J., 2001, 'Plastic Limit Pressure for Cracked Cylinders Using Finite Element Limit Analyses,' Submitted for Publication to International Journal of Pressure Vessels and Piping
Rahman, S., Brust, F., Ghadiali, N., Choi, YR., Krishnaswamy, P., Moberg, F., Brickstad, B., Wilkowski, G., 1995, 'Refinement and Evaluation of Crack Opening Area Analyses for Circumferential Trough. Wall Cracks in Pipes, NUREG Report NUREG/CR-6300, Battelle, OH
Kim, Y.J., Huh, N.S., and Kim, Y.J., 2001, 'Enhanced Reference Stress Based J and COD Estimation Method for LBB Analysis and Comparison with GE/EPRI Method,' Fatigue and Fracture of Engineering Materials and Structures, Vol. 24, pp. 243-254

상세보기
Ainsworth, R.A., 'The Assessment of Defects in Structures of Strain Hardening Materials,' 1984, Engineering Fracture Mechanics, Vol. 19, pp. 633-642

상세보기

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

실린더에 존재하는 축방향 표면균열에 대한 공학적 J-적분식 (I) - 변형소성에 기초한 방법-
Engineering J-Integral Estimation for Internal Axial Surface Cracks in Cylinders (I) -Deformation Plasticity Based Estimation- 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

데이터처리

이론/모형

성능/효과

참고문헌 (12)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

실린더에 존재하는 축방향 표면균열에 대한 공학적 J-적분식 (I) - 변형소성에 기초한 방법- Engineering J-Integral Estimation for Internal Axial Surface Cracks in Cylinders (I) -Deformation Plasticity Based Estimation- 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

데이터처리

이론/모형

성능/효과

참고문헌 (12)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

김윤재 (139) 박영재 (2) 김영진 (161)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

실린더에 존재하는 축방향 표면균열에 대한 공학적 J-적분식 (I) - 변형소성에 기초한 방법-
Engineering J-Integral Estimation for Internal Axial Surface Cracks in Cylinders (I) -Deformation Plasticity Based Estimation- 원문보기

AI 본문요약
AI-Helper