[논문]프레팅 피로균열 영향을 고려한 항공기 맞대기중첩연결 구조 손상허용성 연구

권정호; 황경정

doi:10.5139/jksas.2003.31.1.008

[국내논문] 프레팅 피로균열 영향을 고려한 항공기 맞대기중첩연결 구조 손상허용성 연구
A Study on Damage Tolerance Assessment for the Butt Lap Joint Structure with the Effects of Fretting Fatigue Cracks 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.31 no.1, 2003년, pp.8 - 17

권정호 (울산대학교 수송시스템공학부) , 황경정 (울산대학교 항공우주공학과 대학원)

초록
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항공기 주구조에서 맞대기중첩연결(Butt Lap Joint) 구조는 저속균열성장 개념의 손상허용설계를 한다. 이러한 연결부 구조는 볼트나 리벳 구멍 가장자리의 부재간 접촉면에서 프레팅에 의한 피로균열이 발생되어 다지점 균열성장 거동을 하는 경우가 많다. 본 연구에서는 초기 모서리균열을 내재한 볼트연결 맞대기중첩연결 구조시편에 프레팅 조건을 달리하여 비행하중스펙트럼 하에서 피로균열 성장거동을 실험적으로 분석하고 잔여강도를 비교하여 프레팅이 균열성장과 손상허용성에 미치는 영향을 고찰하였다. 또한 기존의 응력강도식으로 모서리균열의 성장패턴을 예측하고 실험결과와 비교 분석하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The butt lap joint structures which are usually designed by the concept of slow crack growth damage tolerance, show frequently the behaviors of multiple site fatigue crack growth around the fastener hole edges due to the fretting between the two jointed parts. In this paper, experimental tests of fatigue crack growth have been performed of a bolted butt lap joint structure having an initial corner crack at the fastener hole edge, with different fretting conditions under a flight load spectrum. The obtained test results were reviewed to investigate the effects of fretting fatigue cracks on the damage tolerance crack growth life. Computations of corner crack growth were also carried out using an existed model to compare with test results.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

특히 일련의 연결구로 구성된 조립구조는 프레팅을 수반하여 다지점 피로균열로진전되어 나가기 때문에 프레팅 상태에 따라 균열성장 패턴과 손상허용에 대한 잔여강도 변화가다르게 나타나게 된다. 이러한 배경으로 본 연구는 흔히 항공기구조의 조립부에 적용되는 맞대기중첩연결 구조에 대하여 부재 접합면 프레팅 조건을 달리하여 피로균열성장 시험을 수행하고 프레팅 피로가 손상허용성에 미치는 영향을 분석하였다.

가설 설정

볼트연결 구조로서 저속균열성장 개념으로 설계된 경우 MIL-A-83444[2]에서 규정하는 초기결함은 판의 두께가 0.050인치(1.27mm)보다 클 경우 가장 취약한 부위의 볼트구멍 가장자리에 0.050인치의 모서리균열로 정의하고 있고 여러 부재로 구성된 다중하중경로 의존형 구조(Multiple Load Path Dependent Structure) 인 경우 0.050인치의 1차 균열 외에 인접 볼트구멍에 0.005인치 (0.127mm)의 2차 균열이 존재하는 것으로 가정하고 있다. 맞대 기중첩연 결 구조는 볼트나 리 벳으로연결됨으로 응력집중도가 매우 높고 볼트 체결력과 반복적인 피로하중에 의해 Fig.

제안 방법

따라서 해당 범위 내의 균열성장에서는 응력강도계수 계산에 수정이 요구된다. 균열성장 계산은 변동 하중 이력을 고려하여 매 하중사이클에 대한 균열성장을 계산하는데 널리 사용되고 있는 Forman의 균열성장식[14]과 Willenborg모델[1 디의 유효 응력 강도 /및 하중비 # 도입한 다음 관계식을 사용하여 균열성장수명을 예측하기로 한다.
매 100, 000사이클마다 확인하여 균열이 발생하지 않을 경우 하중을 10%씩 단계적으로 증가시켰다. 균열이 발생하면 매 2,000사이클마다 균열성장을 체크하여 균열선단 소성역의 과도한 확장과 급작스런 균열성장이 일어나지 않도록 하중을 5%씩 낮추어 가며초기균열을 유도하였다. 그리고 비행하중스펙 트럼은 훈련기 손상허용설계하중으로 설계사에서제공된 블럭단위의 하중스펙트럼을 사용하였으며손상허용 설계기준에 따라 설계수명의 2배에 해당하는 시험을 수행하였다.
균열이 발생하면 매 2,000사이클마다 균열성장을 체크하여 균열선단 소성역의 과도한 확장과 급작스런 균열성장이 일어나지 않도록 하중을 5%씩 낮추어 가며초기균열을 유도하였다. 그리고 비행하중스펙 트럼은 훈련기 손상허용설계하중으로 설계사에서제공된 블럭단위의 하중스펙트럼을 사용하였으며손상허용 설계기준에 따라 설계수명의 2배에 해당하는 시험을 수행하였다. Fig.
2 그리고 파괴인성치 Kc 는 Table 2에서의 유효파괴인성치 55MPa - m1/2 을 사용하였다. 단, 인용한 실험상수 C와 n이 인치 파운드 시스템에서의 값이므로 균열성장식에적용된 파괴인성치와 응력강도계수값은 인치 파운드 단위로 환산하여 계산하였다. 다음 Fig.
두 부재 접촉면에서 프레팅 조건이 다른 맞대기중첩연결 구조에 대하여 설계수명의 2배에 해당하는 피로균열성장 시험과 잔여강도 시험을 수행하고 분석한 결과를 요약하면 다음과 같다.
모서리균열의 성장패턴을 예측하는데 참고문헌[1이에서 제시한 응력강도식과 Forman의 균열성 장식, Willenborg[15]의 유효응력강도식을 활용하여 #1 시편의 표면방향(8=0° ), 볼트구멍 방향(0=90° ), 그리고 45° 방향에 대하여 각각 블럭하중스펙트럼 상에서 균열성장해석을 수행하여시험결과와 비교하였다. Fig.
비행하중스펙트럼 하에서의 시험을 수행하기전 가공균열로부터 초기균열로 규정된 0.050인치 (1.27mm)의 자연적인 모서리균열을 유도하기 위하여 예비균열시험을 수행하였다. 이때 적용한일정진폭하중은 하중스펙트럼 상의 최대하중의 40%와 하중비 R=0.
시험 중의균열성장 측정은 표면균열, c에 대하여 블럭마다 CCD카메라와 고배율 이동식광학현미경(X50)을 사용하여 측정하였다. 손상허용 균열성장 시험 후 설계한계하중으로 잔여강도 시험을 수행하여 손상 허용성 만족 여부를 확인하였다. 시험이 끝난 시편은 파단면 분석을 수행하였다.
6에서 사용된 하중스펙트럼의 일부를 보여주고 있다. 시험 중의균열성장 측정은 표면균열, c에 대하여 블럭마다 CCD카메라와 고배율 이동식광학현미경(X50)을 사용하여 측정하였다. 손상허용 균열성장 시험 후 설계한계하중으로 잔여강도 시험을 수행하여 손상 허용성 만족 여부를 확인하였다.
손상허용 균열성장 시험 후 설계한계하중으로 잔여강도 시험을 수행하여 손상 허용성 만족 여부를 확인하였다. 시험이 끝난 시편은 파단면 분석을 수행하였다. 파면 분석의 목적은 표면균열, c는 시험과정에서 측정 이 가능하나 볼트구멍 방향의 균열길이, a와 내부 성장패턴은 관찰이 불가능하므로 파면상의 비치 마크 밴드(Beach Mark Band)를 분석함으로써 블럭대 블럭 성장패턴을 알 수가 있다.
프레팅 조건을 달리 하기 위하여 스킨과 벌크헤드 접촉면에 Table 2와 같이 각각 다른 조건을 주었다. 시험치구는 인장과 압축을 모두 원활하게 전달할수 있도록 볼트체결 그립형으로 취하였으며 시험편의 전후 비대칭으로 인하여 발생하는 이차 굽힘을 방지하기 위하여 굽힘방지(Anti-Bending) 보조치구를 시편 좌우에 장착하였다. 시험기는 MTS 244의 서보제어 유압식 (Closed-Loop Hydraulic Servo Control Test System)이며 Fig.
파면 분석의 목적은 표면균열, c는 시험과정에서 측정 이 가능하나 볼트구멍 방향의 균열길이, a와 내부 성장패턴은 관찰이 불가능하므로 파면상의 비치 마크 밴드(Beach Mark Band)를 분석함으로써 블럭대 블럭 성장패턴을 알 수가 있다. 이때 균열이 미소하여 블럭 대 블럭 균열성장을 보여주는 밴드가 30~50배율 CCD 또는 광학현미경으로 판독이 어려울 때 주사전자현미경(Scanning Electronic Microscope)을 사용하여 고배율(X300 이상), 고해상도로 파단면을 분석하였다. 다음 Fig.

대상 데이터

048mm)의 A12024-T62 판으로 재료의주요 기계적 특성치와 균열성장식에 사용되는 재료의 상수는 다음 Table 1과 같다. 벌크헤드는두께 0.184인치(4.674mm)의 판에 두께 0.050인치 (1.27mm) 의 웨브를 가진 형상으로써 A12124- T851 로 제작되었으며 두 스킨은 벌크헤드와 각각 4개씩의 NAS6203-5 볼트로 연결되어 있다. 그리고 좌측 스킨 볼트구멍 전면 가장자리에 방전가공(Electrical Discharge Machining)으로 그림과 같이 길이 0.
사용된 시험편은 Fig. 3과 같이 두 스킨과 벌크헤드 프레임 부재가 맞대기중첩연결로 조립된형상이다. 피로균열이 성장하는 스킨은 두께 0.
시험치구는 인장과 압축을 모두 원활하게 전달할수 있도록 볼트체결 그립형으로 취하였으며 시험편의 전후 비대칭으로 인하여 발생하는 이차 굽힘을 방지하기 위하여 굽힘방지(Anti-Bending) 보조치구를 시편 좌우에 장착하였다. 시험기는 MTS 244의 서보제어 유압식 (Closed-Loop Hydraulic Servo Control Test System)이며 Fig. 4와 5에서 각각 시험장치와 주변 측정장치의 구성도를 보여주고 있다.

이론/모형

그리고 후면의 관통 균열(b) 이 진전되어 전면의 표면 균열길이(c)와 같아질때 완전 관통균열로 간주하게 된다. 모서리균열상태에서의 응력강도계수는 참고문헌[10]에서 제시한 다음의 식을 사용하여 균열성장을 예측하였다.

성능/효과

1) 시험결과 해당 맞대기중첩연결구조는 프레팅을 수반하거나 배제된 상태 모두 규정에서 요구하는 설계수명 동안 피로균열성장 후 잔여강도가 손상허용 조건을 만족하였다.
2) 프레팅 이 유발된 경우(표면거칠기 3이상) 프레팅 균열이 발생되어 기존 가공균열과 더불어 다지점 균열성장을 하였다. 특히 실제 재료의 프레팅 상태(표면거칠기 50#이상)에서는 프레팅 균열이 두군데서 발생하여 초기 주어진 가공균열보다 빠르게 성장하였다.
3) 프레팅이 가장 심한 조건에서는 설계요구수명까지 1, 2차 프레팅균열과 초기 가공균열 모두 모서리균열 상태로 남아 있는데 반해 프레팅이 없는 경우는 긴 단일 관통균열로 성장함으로써 균열끝단의 응력강도가 높아져 오히려 잔여 강도가 약간 감소하는 결과를 나타내었다.
5) 즉, 프레팅으로 인한 피로균열이 다지점에서 조기에 발생, 성장하나 반면 프레팅 마찰로 인한 인접 체결구로의 전달하중의 감소, 다 지점균열성장에 따른 균열끝단에서의 균열유도하중 (Crack Driving Force)의 분산 등의 복합적인 영향이 고려되어야 한다.
6) 그러나 프레팅으로 인한 균열발생 및 성장이 매우 빠른 것으로 보아 프레팅 상태나 설계 치수가 달라짐에 따라 프레팅균열이 모서리균열 상태를 지나 인접 균열과 통합(Link-up)될 수 있는 관통균열로까지 성장한다면 손상허용 한계를 넘어 최종파단까지 이어지는 위험한 상항이 발생될수 있을 것으로 판단된다. 따라서 체결 조립구조는 초기균열에 대한 단일균열로의 성장에 대한 손상허용 평가 외에 가장 불리한 위치에서의 두프레팅 피로균열의 성장 거동에 대한 다지점 손상 허용성이 확인되어야 한다고 본다.
따라서 2, 3 차 균열 발생의 원인은 프레팅에 의한 균열발생과 성장으로 설명할 수 있다. 즉, 프레팅 스킨과벌크헤드 접촉면에서 볼트 체결력과 피로하중이작용함에 따라 두 부재간의 프레팅으로 발생한균열이 예비균열 도입부보다 먼저 성장하여 나중에 성장을 시작한 1차 균열과 다지점균열 (Multiple-Site Crack)로 성장하였음을 알 수 있다. 그리고 Fig.

후속연구

7) 그리고 시험과정에서 관찰이 불가능한 모서리균열 성장패턴을 기존의 응력강도식에 볼트구멍의 영향을 고려함으로써 상당히 정확하게 예측이 가능하나 실험결과와의 차이를 보완하기 위해기존의 3차원 응력강도 파라미터 외에 비교적 짧은 모서리 균열에서 영향이 큰 것으로 알려진 환경이나 하중스펙트럼 형태 등의 영향이 고려되어야 할 것으로 사료된다.

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상세보기
Willenborg, J., Engle, R. M. and Wood, H. A., "A Crack Growth Retardation Model Using an Effective Stress Concept," AFFDL-TM-71-1, 1971.
권정호, 황돈영, "비행모사 하중스펙트럼 하에서 피로균열성장하한계를 고려한 균열성장수명 거동의 고찰,” 한국항공우주학회지, 제24권, 제6호, 1996, pp.98-108.

상세보기
The crack growth analysis computer program "AFGROW", AFRL/VASE, US Air Force Wright-Patterson Research Laboratory, Ohio, USA. 1994.

저자의 다른 논문 :

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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