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문제 정의
- 7mm 전파한 위치에서 동일하게 일부 구간(약 1mm)을 채취한 표면 피로균열의 모습이다. 본 연구에서는 두 하중 모드 사이의 전파형태에 대한 차이를 비교하기 위하여 채취구간에서 균열면 사이의 변위를 측정하였다. 균열사이의 변위는 균열이미지 처리시스템을 이용하여 채취구간 내에서 약 0.
- 본 절에서는 Mode II 하중을 받는 CTS 시험편에서 관찰된 피로균열거동의 특징을 검토하였다. 피로시험은 Fig.
- 본 절에서는 Mode II 하중의 영향으로 나타나는 균열의 전파형태, 전파경로 및 전파각도의 예측에 대하여 고찰하였다.
제안 방법
- Roberts와 心玖恭기는 중앙균열이 있는 인장시험편(Fig. 1(a))을 이용하여 정적인장 하중과 전후 반복하중을 작용시켜 Mode II 하중 하의 피로균열 전파실험을 하였다. Jones와 Chisholm'">그리고 Pook과 Greenanf 은 각각 예비균열을 낸 단순 전단시험편(Fig.
- 작용하중이 혼합모드인 0=30°의 경우 예측값과 측정값과의 오차는 1% 이내였으며, 0=60°의 경우 오차는 약 10% 였다. Mode II 하중 하의 전파각도는 Fig. 10에서 보듯이 초기전파량 1mm까지를 기준으로 그 분산 정도가 크게 차이가 나므로 여기서는 전체 경로에 미치는 초기 불안정한 경로에 의한 영향을 줄이기 위하여 측정한 균열전파각도의 평균값을 적용하였다. 피로균열이 1mm까지 전파했을 때의 예측값과 측정값 사이의 오차는 10% 정도였으며, 1mm부터 3mm까지 전파했을 때의 오차는 0.
- 본 연구에서는 두 하중 모드 사이의 전파형태에 대한 차이를 비교하기 위하여 채취구간에서 균열면 사이의 변위를 측정하였다. 균열사이의 변위는 균열이미지 처리시스템을 이용하여 채취구간 내에서 약 0.02mm 간격으로 50회를 측정하였으며, 채취구간에 대한 상호비교를 위하여 평균값이 사용되었다.
- 또한 이에 대한 연구는 사용된 시험편의 특성때문에 여러 하중모드에 대하여 일관적인 실험을 수행하고, 그 결과를 비교한 것이 드물다. 그래서 본 연구에서는 다양한 하중모드를 조성할 수 있도록 단순 인장전단(Compact Tension Shear : CTS) 시험편과 하중장치를 이용하였으며, 피로거동의 실험 결과들을 상호 비교함으로써 Mode II 하중 하의 피로거동의 특성을 실험적으로 고찰하였다.
- 첫째, Mode II 하중을 받는 CTS 시험편에서 초기 균열의 상태와 작용하중의 크기변화에 따라 나타나는 피로균열의 발생 및 전파와 관련한 피로시험의 특징을 검토하였다. 둘째, Mode I, 혼합 Mode (I뉘I) 및 Mode II 하중 하에서 나타나는 피로 균열의 수명 및 전파거동의 특성을 비교, 고찰하였다. 셋째, 피로균열의 전파형태, 전파경로 및 방향을 고찰하였으며, 전파방향 예측조건을 적용하여 Mode II 하중 하의 균열전파방향에 대한 예측의 정도를 고찰하였다.
- 본 실험에서는 CTS 시험편의 피로균열거동을Mode I, 혼합 Mode (I+II) 및 Mode II 하중 하에서 관찰하였다. 실험에 사용된 시험기는 전기 유압식 인장-압축피로시험기인 Instron 1331이다.
- 본 연구에서는 CTS 시험편을 이용하여 초기균열선 단의 상태(예비균열과 노치의 상태)와 작용 하중의 크기를 변화시키면서 Mode II 하중 하의 피로 균열 전파실험을 수행하였다. 그리고 이 결과를 Mode I 또는 혼합 Mode.
- 본 연구에서는 수정 CTS 시험편과 하중 장치를 이용하여 여러 하중모드 하에서 피로시험을 수행하였으며, 이로부터 Mode II 하중 하의 피로 거동의 특징을 고찰하였다. 시험편과 하중장치의 형상과 치수는 Fig.
- 본 절에서는 Mode II 하중 하의 피로균열의 수명과 전파속도를 Mode I 및 혼합 Mode (I+II) 하중 하의 피로거동과 비교하여 고찰하였다.
- 2(c)) 로 준비되었다. 사용된 하중장치는 Richard와 Benitz©의 모델을 기본으로 하여 제작되었으며, 인장하중과 전단하중의 작용비율은 이를 이용하여 균열선단에 대한 작용하중의 방향을 변화시 킴으로써 조절되었다. .
- 둘째, Mode I, 혼합 Mode (I뉘I) 및 Mode II 하중 하에서 나타나는 피로 균열의 수명 및 전파거동의 특성을 비교, 고찰하였다. 셋째, 피로균열의 전파형태, 전파경로 및 방향을 고찰하였으며, 전파방향 예측조건을 적용하여 Mode II 하중 하의 균열전파방향에 대한 예측의 정도를 고찰하였다.
- 2, 3과 같다. 수정 CTS 시험편은 전단하중성분이 현저히 크게 작용하는 실험에서 하중전달의 정확성과 실험의 안정성을 확보하기 위하여 하중장치와의 결합부위와 노치가 가공되는 평형부위가 수정되었다. 초기 균열상태는 무차원화된 균열길이(a/W)가 동일하도록 만든 예비균열상태(Fig.
- 4kN 작용할 때, 관찰된 피로균열의 거동을 나타낸 것이다. 예비균열면의 마찰에 의한 영향을 배제하기 위하여 노치상태에 대한 실험이 수행되었다. Fig.
- 6 kN 일 때의 수명으로 나눈 값이다. 즉, %炒가 3.6kN일 때의 피로수명비를 1로 하여 작용 하중의 증가에 따른 피로수명의 변화를 고찰하였다. Mode I 하의 경우, Pmax=4.
- 첫째, Mode II 하중을 받는 CTS 시험편에서 초기 균열의 상태와 작용하중의 크기변화에 따라 나타나는 피로균열의 발생 및 전파와 관련한 피로시험의 특징을 검토하였다. 둘째, Mode I, 혼합 Mode (I뉘I) 및 Mode II 하중 하에서 나타나는 피로 균열의 수명 및 전파거동의 특성을 비교, 고찰하였다.
- 여기서 지연구간은 균열이 전파함에 따라 감소하였던 전파속도가 다시 최초 전파속도를 회복하는 구간에 해당하는 균열의 길이를 말한다. 초기 균열의 전파속도에 영향을 미치는 정도를 비교하기 위하여 작용하중의 크기 변화에 따른 지연구간의 크기를 비교하였다. 초기 전파속도 지연 현상은 작용 하중의 증가에 따라 최소 전파속도까지의 감소율에는 일정한 변화를 보이지 않지만, 지연구간은 점차 줄어들었다.
- 사용하였다. 피로균열의 길이는 예비균열선 단과 기계가공한 노치선단의 균열발생점을 원점으로 하는 좌표계(X成와 x”-y”)를 설정하여 측정되었다. 피로균열의 전파속도계산에는 7점 증분다항법(i9)(seven Point Incremental Polynomial Method)을사용하였다.
- .피로균열의 전파실험은 하중장치의 하중작용각도(0)를 변화시켜Mode I, 혼합 Mode (I+II) 및 Mode II의 하중 하에서 수행되었다. 0가 0°인 경우는 인장 하중이 작용하는 Mode I의 상태, 90° 인 경우는 전단 하중이 작용하는 Mode II의 하중상태를 나타내며, 이두 각도 사이의 경우는 인장과 전단하중이 함께 작용하는 혼합 Mode (I+II)의 하중상태를 나타낸다.
- 피로균열의 측정에는 균열이미지 캡쳐링 시스템을 사용하였다. 피로균열의 길이는 예비균열선 단과 기계가공한 노치선단의 균열발생점을 원점으로 하는 좌표계(X成와 x”-y”)를 설정하여 측정되었다.
- 검토하였다. 피로시험은 Fig. 2와 Table 3에 나타낸 것처럼 작용 하중의 크기를 변화시키면서 예비균열시험편과노치시험편에 대하여 수행되었으며, 피로 균열의 전파양상은 Fig. 4와 5에 나타낸 것과 같다.
대상 데이터
- 고찰대상은 노치시험편(Pmax=3.6, 4.4, 4.8kN)과 예비균열선단에서 지속적으로 피로균열이 전파하는 경우(노치선단에서 새로운 피로균열이 발생하지 않은 경우: Pmx=6.0, 7.0kN)의 예비균열시험편으로 제한하여 설정되었다.
- 시험에 사용된 재료는 KS D 3519에 규정된 자동차 구조용 열간 압연강판(SAPH440)이다. 이 재료는 주로 차체 하부구조의 강도를 유지, 보완하는 자동차의 프레임 및 차체와 차륜의 상하 방향 지지와 강성을 유지하는 현가장치의 상, 하암에 사용되며, 여러 멤버류의 제작 및 결합에 적합하도록 프레스 가공성과 용접성이 우수하다.
- 본 실험에서는 CTS 시험편의 피로균열거동을Mode I, 혼합 Mode (I+II) 및 Mode II 하중 하에서 관찰하였다. 실험에 사용된 시험기는 전기 유압식 인장-압축피로시험기인 Instron 1331이다. 피로 하중의 형태는 일정진폭의 인장-인장 하중 상태이고, 응력비는 0.
이론/모형
- 균열전파속도의 평가에는 Ki과 Ku를 조합한 유효 응력확대계수(Krfr)를 도입하였으며, AK前는 Tanaka的가 제안한 식을 이용하여 산출하였다.
- 수정 CTS 시험편의 응력확대계수 Ki과 Kii는 Richard와 Benitz(이가 제안한 식 ⑴을 이용하여 계산되었다.
- 피로균열의 길이는 예비균열선 단과 기계가공한 노치선단의 균열발생점을 원점으로 하는 좌표계(X成와 x”-y”)를 설정하여 측정되었다. 피로균열의 전파속도계산에는 7점 증분다항법(i9)(seven Point Incremental Polynomial Method)을사용하였다.
성능/효과
- (1) CTS 시험편을 이용한 Mode II 하중 하의 피로 균열은 초기 균열의 상태와 작용하중의 크기에 따라 구분되는 전파거동을 나타내었다. 예비균열상태의 경우 예비균열면의 마찰로 인하여 저하중에서는 노치선단에 새로운 피로균열이 발생하였으며, 고하중범위에서는 예비균열선 단으로부터 분기전파하였다.
- (2) Mode II 하중 하의 피로수명은 작용 하중의 크기증가에 따라 노치시험편, Mode II 하중, 그리고 저하중 범위의 조건에서 민감한 변화를 보였다. 노치선단으로부터 발생한 피로균열의 전파속도는 균열전파의 초기구간에서 감소하였다가 회복하는 경향을 나타내었다.
- (3) 거시적으로 관찰된 균열면 사이의 변위로부터 Mode II 하중 하에서 피로균열의 전파형태가균열진전력의 감소, 균열면의 마멸과 관계있음을 확인할 수 있었다. 피로균열은 초기 균열선에 대하여 약 65° ~72°의 방향으로 전파하였다.
- 노치선단으로부터 발생한 피로균열의 전파속도는 균열전파의 초기구간에서 감소하였다가 회복하는 경향을 나타내었다. 또한 작용하중의 크기증가에 따라 균열전파속도의 지연구간은 줄어드는 것이 확인되었다.
- 그러나 작용하중의 증가나 초기 균열상태에 따른 전파경로의 차이는 거의 나타나지 않았다. 두 시험편 모두에서 균열길이가 1mm 이내에서는 전파 각도의 분산이 컸으나, 1mm 이상 전파한 후에는 일정한 경로가 유지되었다. 초기 분산은 전단 하중의 작용특성과 함께 노치나 예비균열선단의 조직 등에 의한 영향도 나타난 것으로 생각된다.
- 노치선단으로부터 발생한 피로균열의 전파속도는 균열전파의 초기구간에서 감소하였다가 회복하는 경향을 나타내었다. 또한 작용하중의 크기증가에 따라 균열전파속도의 지연구간은 줄어드는 것이 확인되었다. 이러한 결과는 작용 하중의 크기에 따라 마찰표면에서 마멸정도의 심각성과 균열진전력의 크기 정도에 따라 차이가 나는 것으로 판단된다.
- 예비균열 시험편에 대한 고하중실험 결과, 예비균열선 단으로부터 전파한 균열은 노치시 험 편과 같은 전파속도의 지연구간이 나타나지 않고 지속적으로 전파하였다. 하지만, 6.
- 이들의 경우 피로균열은 노치와 예비균열선에 나란하게 전파하지 않고, 피로 균열 발생 점에 대하여 약 65°〜72°의 방향으로 전파하였다. 예비균열면의 마멸, 예비균열 전방에서의 저항 및 작용하중 크기 등의 관계에 따라 피로 균열의 전파거동은 발생위치 및 전파양상에 차이를 보였다.
- 이러한 결과는 초기 균열이 노치인 경우에도 Mode II 하중 하에서 전파하는 피로균열이 전단 하중의 특성에 따라 초기에 발생한 균열면의 마찰을 피할 수 없으며, 그 영향이 초기 전파속도의 감소로 나타났음을 확인시켜준다.
- 평균 변위는 약 9iim였다. 작용하중의 크기와 채취구간의 위치에 따른 차이는 있지만 Photo ® 와 (£)에서 관찰된 두 균열면 사이의 변위는 약 2 배의 차이를 보였으며, 거시적인 관찰로도 두 하중 모드의 특성에 의한 전파형태의 차이를 확인할 수 있었다. 이러한 전단하중성분에 의해 상대적으로 작은 균열면 사이의 변위를 보이는 전파 형태는 균열진전력의 감소와 균열면의 마멸과 관계있으며, 피로균열의 전파속도에도 큰 영향을 미친다.
- 6%를 나타내었다. 최대 원주 응력 조건을 이용하여 예측한 전파각도는 하중 모드, 작용하중의 크기, 초기 균열선단의 상태와 관계없이 전반적으로 실험측정치와 양호한 일치를 보였다.
- 피로균열은 초기 균열선에 대하여 약 65° ~72°의 방향으로 전파하였다. 피로 균열의 전파경로는 작용하중의 크기, 초기균열선 단의 상태와 관계없이 차이를 보이지 않았으며, 균열이 전파함에 따라 일정한 방향과 전파 각도를 유지하였다. Mode II 하중 하에서 피로균열의 전파 방향에 대한 예측은 최대 원주응력 조건을 이용하여 다른 하중모드에 대한 결과와 마찬가지로 양호하였다.
후속연구
- 이러한 전단하중성분에 의해 상대적으로 작은 균열면 사이의 변위를 보이는 전파 형태는 균열진전력의 감소와 균열면의 마멸과 관계있으며, 피로균열의 전파속도에도 큰 영향을 미친다. 추후 균열전파과정에서 균열선단변위의 변화와 균열면의 마멸에 의한 균열전파속도의 변화에 대하여 추가적인 고찰을 할 것이다.
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