[논문]가속 내구 시험을 위한 등가하중 설정과 피로수명 예측을 위한 프로그램 개발

이강용; 박병화; 이득용

[국내논문] 가속 내구 시험을 위한 등가하중 설정과 피로수명 예측을 위한 프로그램 개발
Program Development for the Determination of Equivalent Load for Accelerated Fatigue Testing and the Estimation of Fatigue Life 원문보기

한국철도학회 논문집 = Journal of the Korean Society for Railway, v.6 no.4 = no.21, 2003년, pp.265 - 272

이강용 (연세대학교 기계공학부) , 박병화 (연세대학교 대학원 기계공학) , 이득용 (대림대학교 재료정보공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The computer program for the accelerated life testing technique of a machine part under the service conditions is developed under the GUI environment so that the user can easily obtain the results by selecting the program module. Also, the theoretical backgrounds for the computer program and the procedures of the accelerated testing method are introduced by testing the specimens made of the stainless steel 316L under the high temperature and random loading. The reliability of the program is discussed by the experimental results of the fatigue life, age degradation and accelerated testing conditions.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구의 목표는 피로수명과 경년열화정도를 예측할 뿐 아니라 가속등가 내구 시험 조건을 설정할 수 있는 컴퓨터 프로그램을 개발하는 것이 1차적인 목표이고 이 개발한 프로그램의 error 검증을 수작업의 결과와 프로그램계산 결과를 비교하므로 검증하는 것이 2차 목표이며 실험과의 비교를 통해 프로그램 이론을 점검하는 것이 3차 목표이다.
본 논문에서는 가속 등가 시험에 대한 기본적인 내용과 과정을 설명하였고 이를 응용 개발한 프로그램에 관하여 소개하였다. 프로그램은 GUI 환경을 채택하였으며, 각 단계별로 필요한 이론을 선택하여 적용할 수 있도록 하여 변동 피로 하중을 받는 모든 형태의 기계 요소에 적용 가능하도록 구성하였다.
그리고 재료의 물성차이가 있고 상온실험과 고온실험을 수행하므로 본 프로그램이 경년열화도 잘 예측함을 보였다. 아울러 가속내구시험을 위한 등가 하중을 설정하고 그 등가하중이 가속 내구시험 조건으로 타당함을 프로그램결과와 실험결과를 비교하므로 입증하였다.

제안 방법

본 프로그램은 사용자가 필요한 기능과 내용을 입력 또는 선택 가능하도록 GUI (Graphic User Interface) 환경으로 구성되어 있다.
단순반복하중은 피로수명 cycle의 0.1 배에 해당하는 676회씩의 피로하중을 반복적으로 가하는 방법을 선택하여 2회의 반복적인 실험을 수행하였다. 여기서 수명의 0.
경년열화가 일어나면 먼저 재료의 물성이 저하되기 때문에 경년열화를 묘사하기 위하여 시험을 인장강도가 높은 상온시험 결과를 인장강도가 낮은 고온 시험 결과와 비교하여 경년열화의 정도를 알아보도록 한다. 일반적으로 스테인레스 316L강의 경우 고온에서 인장강도가 떨어지므로 피로수명 역시 고온에서 짧아질 것이라 예상된다.
가속내구 실험조건을 생성할 수 있다. 이번 실험에서는 가속내구 실험의 결과를 원래 실험과 손쉽게 비교하기 위하여 실험2의 손상값과 같은 등가의 하중을 이용하여 3개의 단순반복하중으로 나누어지는 가속 내구 실험조건을 설정하였다. 설정한 실험조건은 Table 5와 같다.
관하여 소개하였다. 프로그램은 GUI 환경을 채택하였으며, 각 단계별로 필요한 이론을 선택하여 적용할 수 있도록 하여 변동 피로 하중을 받는 모든 형태의 기계 요소에 적용 가능하도록 구성하였다. 또한 가상 피로하중에 대해 수작업 결과와 프로그램의 결과를 비교하므로써 프로그램의 error 를 검증하였다.
또한 가상 피로하중에 대해 수작업 결과와 프로그램의 결과를 비교하므로써 프로그램의 error 를 검증하였다. 뿐만 아니라 스테인레스강 316L 재료를 실제 고온 환경 하의 변동 피로하중을 주었을 때 피로수명과 프로그램에 의한 예측피로수명과 비교하여 근사한 결과를 얻었다. 그리고 재료의 물성차이가 있고 상온실험과 고온실험을 수행하므로 본 프로그램이 경년열화도 잘 예측함을 보였다.

대상 데이터

재료는 스테인레스강 316L 강종이다. 그 화학적 성분은 다음과 같다.
중앙에 60。V형 놋치를 낸 시험편을 사용하였으며 그 치수는 t=l (mm), (0=0.09 (mm), D=6 (mm), d=4 (mm) 이다.
프로그램을 검증하기 위한 실험에 사용되는 기기는 Instron 사의 8516모델의 UTM(10 ton) 과 SFL 의 SF868D 모델의 고온챔버(1,000笆)를 이용하였다.

데이터처리

프로그램은 GUI 환경을 채택하였으며, 각 단계별로 필요한 이론을 선택하여 적용할 수 있도록 하여 변동 피로 하중을 받는 모든 형태의 기계 요소에 적용 가능하도록 구성하였다. 또한 가상 피로하중에 대해 수작업 결과와 프로그램의 결과를 비교하므로써 프로그램의 error 를 검증하였다. 뿐만 아니라 스테인레스강 316L 재료를 실제 고온 환경 하의 변동 피로하중을 주었을 때 피로수명과 프로그램에 의한 예측피로수명과 비교하여 근사한 결과를 얻었다.

이론/모형

인장시험편은 ASTM[9]의 규격을 따랐다.

성능/효과

프로그램의 계산결과 각각의 단순반복하중에 6756 회씩의 피로하중을 줄 경우 파괴가 되는 결과를 얻었다. 단순반복하중은 피로수명 cycle의 0.
이 결과로 각각의 실험에서 프로그램으로 구하여진 결과와 10%, 30%의 오차를 보인다고 평가할 수 있다.
일반적으로 스테인레스 316L강의 경우 고온에서 인장강도가 떨어지므로 피로수명 역시 고온에서 짧아질 것이라 예상된다. 그러므로 개발된 프로그램을 이용하여 상온과 실제 작업환경이 되는 고온에서의 인장강도와 S-N 선도를 가지고 프로그램으로 예상 수명을 구하여 경년열화의 정도를 파악할 수 있다. 시험편의 상온 인장강도는 S"=734.
위의 실험결과는 프로그램의 예상결과와 근사하며 전체적으로 상온에서 수명이 고온에서의 수명보다 길게 나왔음을 알 수 있다. 이 결과를 통하여 경년 열화도 프로그램을 통하여 예측 가능할 수 있다.
본 연구에서 개발된 프로그램을 이용하면 연구실에서 손쉽게 기존의 하중보다 큰 값의 하중조건을 생성하여 가속내구 실험조건을 생성할 수 있다. 이번 실험에서는 가속내구 실험의 결과를 원래 실험과 손쉽게 비교하기 위하여 실험2의 손상값과 같은 등가의 하중을 이용하여 3개의 단순반복하중으로 나누어지는 가속 내구 실험조건을 설정하였다.
뿐만 아니라 스테인레스강 316L 재료를 실제 고온 환경 하의 변동 피로하중을 주었을 때 피로수명과 프로그램에 의한 예측피로수명과 비교하여 근사한 결과를 얻었다. 그리고 재료의 물성차이가 있고 상온실험과 고온실험을 수행하므로 본 프로그램이 경년열화도 잘 예측함을 보였다. 아울러 가속내구시험을 위한 등가 하중을 설정하고 그 등가하중이 가속 내구시험 조건으로 타당함을 프로그램결과와 실험결과를 비교하므로 입증하였다.
이 결과를 통해 프로그램으로 구하여진 결과와 실험 결과는 매우 유사한 cycle 수에서 피로파괴 결과가 일어남을 알 수 있다.

참고문헌 (11)

K. B. Smith, E. S. Parker and D. J. Iler, 'Railcar Service Spectra Generation for Full-Scale Accelerated Fatigue Testing', ASTM Special Technical Publication, pp. 62-84, 2002
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Seiichi Matsushiee. et al,. 'Concept of accelerated life test and implementation - a atudy on evaluation for solder joint fatigue of automotive electronic components', Microelectronics and Reliability, Vol. 32, No. 12, pp. 1782-1783, 1992
L. R. Fox, J. W. Sofia and M. C. Shine, 'Investigation of solder fatigue acceleration factors', Microelectronics and Reliability, Vol. 26, No. 6, pp. 1189-1190, 1986
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K. Staevski, D. Chankov, 'A comparative analysis of accelerated methods for fatigue life and reliability prediction of machine parts under variable loading', Journal of Material Science and Technology, Vol. 3, No. 1, pp. 30-39, 1995
X. Yang, W. Yao and Y. Chen, Application of accelerated fatigue tests to study calendar life on airplane structure', Corrosion Science and Protection Technology, Vol. 14, No. 3, pp. 172-174, 2002

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R. H. Salzman, S. M. Reaburn, 'Probabilistic modelling for timing belt fatigue life predictions using accelerated testing', International Journal of Materials & Product Technology, Vol. 16, No. 4-5, pp. 446-461, 2001

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이강용, '재료거동학', 연세대학교 출판부. 1999
N.-A. Noda, M. Sera and Y. Takase, 'Stress concentration factors for round and flat test specimens with notches', International Journal of Fatigue, Vol. 17, pp. 163-178, 1995

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