[논문]고유변형도 기반 열변형부의 후속 하중에 기인한 용접 후 변형 해석

김종태; 하윤석; 장창두

doi:10.3744/snak.2006.43.2.220

고유변형도 기반 열변형부의 후속 하중에 기인한 용접 후 변형 해석
Analysis of Post Weld Deformation at HAZ by External Forces Based on Inherent Strain 원문보기

In case of welding, the inherent strains are generated, because a structure experiences the plastic yielding. The inherent strain is defined as the irrecoverable strain after removing structural restraints and loading. For the analysis method of welding distortion, equivalent loading method based on inherent strain is in general use due to its efficiency and effectiveness. However, it is generally difficult to know the final strain of the welded structure if additional loadings were applied after welding. for this reason, this study introduced the concept of the hardening and added the hardening term to the equivalent loading method based on inherent strain. Therefore, the purposes of this study are to develop the inherent strain formula considering the hardening effect and to calculate residual Stresses Using Proposed inherent Strain. Also, this Study Verified the availability Of proposed inherent strain method by loading-unloading experiment on welded plate.

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문제 정의

본 연구에서는 이러한 고유변형도에 기반한 등가하중법을 해석의 기본기구로 하되, 이식의 유도과정에 추가적으로 금속의 hardening을 고려하여 보다 정확한 잔류응력에 기반한 변형을 예측하려고 한다. 열영향부의 변형에만 관심을 두던 기존의 방법은 매우 빠르게 변형에 관한 결과를 도출하고는 있지만 소성영역에서의 잔류응력이 항상 항복응력이라는 가정 때문에 변형이후 추가적인 하중에 대한 거동을 평가하는 데는 어려움이 있다.
열영향부의 변형에만 관심을 두던 기존의 방법은 매우 빠르게 변형에 관한 결과를 도출하고는 있지만 소성영역에서의 잔류응력이 항상 항복응력이라는 가정 때문에 변형이후 추가적인 하중에 대한 거동을 평가하는 데는 어려움이 있다. 이에 본 연구에서는 고유변형도의 전개 과정에서부터 hardenings 고려한 유도과정을 새로이 소개하고, 제안된 변형도식의 유용성을 검증할 수 있는 용접판의 하중부하-제하 시의 판 변형측정 실험을 수행하였다. 수행된 실험은 본 연구에서 사용된 고유 변형도 방법론이 적용 가능한 면외변형을 특징으로 하는 비드온 용접이다.
특히 용접부 내에 존재하는 잔류응력은 변형을 일으키는 원인임과 동시에 추가적인 하중의 부하나 제하 과정에서 재료가 탄성상태와는 다른 변형 거동을 갖도록 만든다. 이에 본 연구에서는 기변형된 용접부의 추가적인 물리적 하중에 의한 변형예측에 중점을 두고 있다.

제안 방법

그것은 재료 내부의 응력을 항복응력으로 고정시키는 가정 하에서 이루어졌기에 추가적인 하중을 응력증분으로 표현할 수가 없기 때문이다. 그러나 선박의 건조는 재료의 용접 후 추가용접, 리프팅, 수송, 탑재 등의 과정에서 많은 하중의 이력을 겪으므로 이 실험이 그간략한 모델이 되도록 하였다.
이러한 과정을 통해 용접 및 추가 하중의 작용에 의해 발생하는 재료의 변형을 결정하였다. 또한 보다 정확한 변형해석을 위해서 재 료의 물성치에 상변태를 고려하였다. 상변태가 일으키는 재료의 부피변화에 관해서는 열팽창계수에 이를 반영(하윤석과 장창두 2004)하였다.
먼저 고유 변형도 영역을 결정하기 위해서 열전 도 해석을 수행하였다. 영역의 결정은 최근 연구 결과인 오스테나이트로의 상변태 시작점(하윤석과 장창두 2004)으로 잡을 것이다.
본 연구에서 위에서 유도한 고유 변형도 식(식(12))과 잔류응력식(식 (15))을 검증하기 위해 다음과 같은 용접 후 하중부하-제하 실험을 수행하였다. 실험에 쓰인 재료는 선급에서 제시한 Mild A 강으로, 시편의 치수는 Fig.
열변형 해석의 유용한 도구인 고유 변형도 정식화에 hardening을 고려하여 정식화를 개선하였다. 이로써 아래와 같은 효과를 거둘 수 있었다.
이에 본 변형해석에서도 판의 자중의 영향 또한 고려하였다. 우선 변형에 미치는 판의 자중을 고려하기 위해서 Fig. 12와 같이 우선 철의 비중(7.83 kgf/mnf)을 균일분포 하중으로 치환하고, 중앙부(용접선)에 작용하는 모멘트 값을 구하였다. 구한 모멘트를 식(16)을 통해 자 중에 의한 응력증가분을 결정할 수 있다.
추가 하중의 부하-제하 실험에서 부하 시추는 용접부에 대해 선하중으로 작용하게 된다. 이 값을 용접선에 작용하는 균일분 포하중으로 치환하기 위해 Fig. 13과 같이 추가 하중의 작용에 의해 발생하는 변형값과 동일한 변형을 발생시키는 균일분포하중을 구하였다.
결정된 응력값을 응력-변형도 선도를 통해 추가 하중에 의해 발생하는 변형도를 정의하게 된다. 이러한 과정을 통해 용접 및 추가 하중의 작용에 의해 발생하는 재료의 변형을 결정하였다. 또한 보다 정확한 변형해석을 위해서 재 료의 물성치에 상변태를 고려하였다.

대상 데이터

Hardening 계수를 결정하기 위해서 Fig. 5의 Patel(1985)21 Plastic Modulus-Temperature 선 도를 이용하였다.
이에 본 연구에서는 고유변형도의 전개 과정에서부터 hardenings 고려한 유도과정을 새로이 소개하고, 제안된 변형도식의 유용성을 검증할 수 있는 용접판의 하중부하-제하 시의 판 변형측정 실험을 수행하였다. 수행된 실험은 본 연구에서 사용된 고유 변형도 방법론이 적용 가능한 면외변형을 특징으로 하는 비드온 용접이다.
본 연구에서 위에서 유도한 고유 변형도 식(식(12))과 잔류응력식(식 (15))을 검증하기 위해 다음과 같은 용접 후 하중부하-제하 실험을 수행하였다. 실험에 쓰인 재료는 선급에서 제시한 Mild A 강으로, 시편의 치수는 Fig. 6과 같다.

성능/효과

1. 고유변형도를 기반으로 한 잔류응력의 평가를 항복응력이상의 수준에 대해서도 내릴 수 있게 되었다.
2. 이미 열이력을 겪은 부재에 대하여 추가적인 하중의 부하나 제하가 있게 될 경우 그 이력을 따르는 변형해석이 고유변형도 기반으로 가능하게 되었다.
3. 이러한 과정들은 모두 용접 실험 및 이후의 하중부하-제하 실험결과와 비교되어 그 효용성을 검증되었다.
4. 변형된 열영향부가 포함된 재료의 리프팅 시자 중에 의해 그 경감이 가능한 방향을 예측하여 작업을 진행할 수 있는 가능성을 열었 다.

후속연구

구조적으로 안정을 요하는 부재의 경우 고유변형도와 잔류변형은 중요하게 고려될 것이다. 이와 같이 hardening을 고려한 응력-변형도 선도를 이용한다면 고유변형 도가 최소의 값을 가질 수 있는 하중 조건을 계산할 수 있을 것이다.

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