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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 Fig. 1과 같은 시험 편 형상에 대하여 필릿 용접토우부를 그라인딩한 경우에 대한 피로시험을 수행하고, 같은 형상의 그라인딩을 하지 않은 시험 편에 대한 피로시험 결과와의 비교 검토를 통해 토우부 그라인딩에 의한 피로 강도 및 피로수명 증대 효과 를 정량적으로 파악하고자 한다.
제안 방법
- As-welded 시험 편 15개와 용접토우 부 Burr grinding 을 실시한 14개의 시험 편에 대하여 피로시험을 실시하였고, Fig. 4에 As-welded와 Toe-grinding 시험편을 비교하여 공칭응력기준 응력 범위 (AS), 파단 수명 (Nf) 사이의 관계를 S-N선도5)로 나타내었다.
- 본 연구에 사용된 시험 편 형상에 대하여 상용유한요 소 해석 프로그램인 MSC Patran/Nastran을 이용하여 유한요소해석을 수행하였다. 해석에 사용된 요소는 20-node solid 요소로 감소적분법을 사용하였다.
- 본 연구에 사용된 시험편은 선박 구조물에 적용되는 선박 구조용 연강 (Grade 'A')으로 여러 가지 용접 이음부 중 피로손상이 많이 발생할 것으로 추정되는 형태의 시험 편에 대하여 필릿 용접토우부에 Burr grinding 작업을 수행하였다. 재료의 화학적 성분 및 기계적 성 질5은 Table 1과 같고 시험 편의 용접 조건은 Table 2와 같다.
- 하중부하조건은 완전 양진하중진폭 즉 R=-l 로 실시하였다. 시험 중 하중, 변위 및 스트레인 값을 데이터 메모리 수집 장치를 이용하여 관찰하였다. 피로시험은 시험편이 완전 파단될 때까지 실시하였고, 파단되지 않는 시험편에 대해서는 107cycle 하중 반복수에서 중단 하였다.
- 제안된 시험 편 형상에 대한 공칭응력을 바탕으로 한 As-welded 시험편과 Toe-grinding 시험 편의 피로시험 결과를 바탕으로 구조응력 방법을 이용하여 예측한 피로수명 향상 효과에 대한 정량적 비교* 및 선박 및 해양구조물에 대한 피로 설계에서의 적용 가능성4)을 검토 하였다.
- 본 연구에 사용된 피로시험기는 최대 용량 ±20 ton인 축인장 압축 유압서브피로시험기이며, 피로시험은 하 중제어 방식으로 수행하였다. 피로 하중의 파형은 정현파로 하였고, 하중반 복속도는 7Hz에서 실시하였다. 하중부하조건은 완전 양진하중진폭 즉 R=-l 로 실시하였다.
- 시험 중 하중, 변위 및 스트레인 값을 데이터 메모리 수집 장치를 이용하여 관찰하였다. 피로시험은 시험편이 완전 파단될 때까지 실시하였고, 파단되지 않는 시험편에 대해서는 107cycle 하중 반복수에서 중단 하였다.
대상 데이터
- 본 연구에 사용된 피로시험기는 최대 용량 ±20 ton인 축인장 압축 유압서브피로시험기이며, 피로시험은 하 중제어 방식으로 수행하였다. 피로 하중의 파형은 정현파로 하였고, 하중반 복속도는 7Hz에서 실시하였다.
이론/모형
- 본 연구에서는 피로 강도를 향상시키는 여러 가지 방법 중 용접부 형상을 개선시키는 방법 중에서 비교적 작업 처리가 용이한 Burr grinding 방법을 사용하였다. Table 3과 Fig.
- 본 연구에 사용된 시험 편 형상에 대하여 상용유한요 소 해석 프로그램인 MSC Patran/Nastran을 이용하여 유한요소해석을 수행하였다. 해석에 사용된 요소는 20-node solid 요소로 감소적분법을 사용하였다. Toe-grinding시험편의 경우 토우그라인딩 효과를 고려하기 위해 토우부 끝단에 0.
성능/효과
- 1) 본 연구에 사용된 시험 편에 대하여 실시한 피로시험을 통해 구한 피로 선도 식을 바탕으로 피로 강도 및 피로수명의 정량적 향상 효과를 살펴보았을 때 피로 강 도는 2xl06 cycle 기준으로 하였을 경우 Toe-grinding 된 시험편이 1.70배 향상된 결과를 보였으며, 피로수명은 공칭응력 180 MPa을 기준으로 하였을 경우 Toe grinding 된 시험편이 10.82배의 향상을 보이는 결과를 나타내었다.
- 2) 초기 균열(1mm)을 육안으로 발견한 지점과 변형률 계측장비로 측정한 변형률 범위의 5% 하락시점 이 일치하는 것으로 나타났다.
- 3) 피로강도 향상은 공칭응력을 이용한 방법과 등가구조응력을 이용한 방법 모두 거의 차이가 없는 결과를 보여, 구조응력을 이용한 피로 강도 향상을 정량적으로 평가할 수 있다고 사료되어지지만, 피로 수명 향상은 공칭응력을 기준으로 한 방법과 다소 차이를 보여, 구조응력을 이용한 피로수명 향상을 정량적으로 평가하 는 데 있어 다소 어려움이 있을 것으로 사료되어진다.
- 8에서는 유한요소해석 결과를 바탕으로 As-welded 시험편과 Toe-grinding 시험 편에 대하여 핫스팟 응력과 구조응력을 바탕으로 구한 응력 집중계수를 비교하여 나타내었다. Toe-grinding 시험편이 As-welded 시험편 보다 응력 집중계수가 낮은 경향을 보였으며, 특히 핫스팟 응력이 구조응력에 비하여 상대적으로 높은 값을 가지는 것으로 나타났다.
- 47배의 피로 강도 향상을 보인다. 또한 등가구조응력 250 MPa 기준으로 피로수명을 비교해보면 Toe-grinding 된 시험편이 5.67배의 피로 수명이 향상된 것으로 나타났다. 이는 공칭응력을 이용한 방법에서 피로강도는 2x10° cycle 기준으로 Toe-grinding 된 시험편이 1.
- 여기서 t=부재두께, m=3.6, I(r)=Aob/AOs (구조응 력 진폭에 대한 굽 힘응력 진폭의 비), Δσ은 공칭응력 진폭, SCFss는 구조응력에 근거한 응력집중계수이다 : Fig. 9에 나타낸 바와 같이 통합피로선도에서 As- welded 시험편과 Toe-grinding 시험 편 모두 하나의 좁은 밴드를 형성하였으며, 예상한 바와 같이 Toe grinding 시험 편의 피로시험 결과가 As-welded 시험 편의 피로시험 결과보다 향상된 피로수명을 가지는 것으로 나타났다. 따라서 구조응력해석 기법을 통해 용접토우부 그라인딩에 의한 기하학적 형상 변화에 의한 피로수명 향상 효과를 정량적으로 예측할 수 있을 것으로 사료되어 진다.
- 67배의 피로 수명이 향상된 것으로 나타났다. 이는 공칭응력을 이용한 방법에서 피로강도는 2x10° cycle 기준으로 Toe-grinding 된 시험편이 1.70배 향상을 보이는 것과 일관성 있는 결과를 보였으나, 피로 수명은 공칭응력 180 MPa (구조응력 환산 250 MPa) 기준으로 Toe-grinding 된 시험편이 10.82배의 향상을 보이는 것과 다소 차이를 나타내었다. 따라서 구조응력으로 피로 강도 향상 평가를 할 수 있다고 사료되어지지만, 피로 수명의 정량적 평가하는 데 있어서는 다소 차이를 보여 어려움이 있을 것으로 사료되어진다.
후속연구
- 4) As-welded 시험편과 Toe-grinding 시험 편에 대하여 계산된 구조응력을 이용하여 통합피로 선도를 작성하였을 때 하나의 좁은 밴드를 형성하였으며 이러한 구조응력 해석방법을 통해 보다 정도 높게 용접구조물의 피로수명을 예측할 수 있을 것으로 사료된다.
- 9에 나타낸 바와 같이 통합피로선도에서 As- welded 시험편과 Toe-grinding 시험 편 모두 하나의 좁은 밴드를 형성하였으며, 예상한 바와 같이 Toe grinding 시험 편의 피로시험 결과가 As-welded 시험 편의 피로시험 결과보다 향상된 피로수명을 가지는 것으로 나타났다. 따라서 구조응력해석 기법을 통해 용접토우부 그라인딩에 의한 기하학적 형상 변화에 의한 피로수명 향상 효과를 정량적으로 예측할 수 있을 것으로 사료되어 진다.
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