[논문]선체 Longi-web 연결부의 피로강도 평가를 위한 구조응력 기법의 적용

김명현; 김정환; 김성민; 김광석; 강중규; 허주호; 강성원

doi:10.3744/snak.2008.45.1.81

[국내논문] 선체 Longi-web 연결부의 피로강도 평가를 위한 구조응력 기법의 적용
The Application of Structural Stress Method for the Fatigue Strength Assessment of Longi-web Connections 원문보기

大韓造船學會論文集 = Journal of the society of naval architects of korea, v.45 no.1, 2008년, pp.81 - 86

김명현 (부산대학교 조선해양공학과) , 김정환 (대우조선해양(주) 구조R&D) , 김성민 (부산대학교 조선해양공학과) , 김광석 (대우조선해양(주) 구조R&D) , 강중규 (대우조선해양(주) 구조R&D) , 허주호 (대우조선해양(주) 구조R&D) , 강성원 (부산대학교 조선해양공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, a mesh-size insensitive structural stress definition that provides a stress state at weld toe with relatively larger mesh size compared to conventional approaches has been proposed. The structural stress definition is based on the elementary structural mechanics theory and provides an effective measure of a stress state in front of weld toe. In this study, as an experimental validation of structural stress method in obtaining the fatigue strength of weldments, a series of fatigue test has carried out for longi-web connections, which are representative of ship-like structures. Based on the result from this study, it is expected to develop a more precise fatigue strength evaluation technique and to reduce time and cost associated with the fatigue design of ship and offshore structures.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 이러한 기법을 잘 반영할 수 있는 일련의 모델에 대하여 실제 피로시험을 실시하여 피로 수명평가에 대한 추정치와 실험에 의한 피로수명을 비교․검토하고자 한다.
본 연구에서는 선박에서 주로 적용되는 4가지 종류의 Longi-web 연결부의 피로강도를 평가하기 위하여 일련의 피로실험을 실시하고 최근 제안된 구조응력 기법을 적용하여 피로 수명평가에 대한 추정치와 실험에 의한 피로수명을 비교․검토하였다.

제안 방법

상기 모델에 대한 유한요소 해석은 Fig. 2에서 보는 바와 같이 상용 프로그램을 이용하였으며 요소 변화에 대한 사례연구를 위하여 요소의 크기는 1.0t/1.0t 및 0.5t/0.5t로 분류하였고 요소의 종류는 4-node shell요소로 수행하였다(t: 판두께).
유한요소 해석 결과 Fig. 4와 같이 NH시험편에서는 용접부 끝단, KH 시험편의 경우는 key hole 이 위치한 부분에서 가장 높은 응력을 나타내었으며, 이 결과를 바탕으로 하여 구조응력 계산 위치를 선정하였다.
본 연구에 사용된 피로시험 장치는 최대용량±20 ton인 축인장 압축 유압서브 피로시험기(SAGINOMIYA, Japan)를 사용하였고, 피로하중의 파형은 정현파를 사용하였다. 하중제어 방식은 응력비 R=0에서 실험을 수행하였으며, 하중반복속도는 하중을 고려하여 2~3Hz에서 실시하였다. 또한 하중, 변위 및 변형률 값을 데이터 메모리 수집 장치를 이용하여 관찰하였다.
하중제어 방식은 응력비 R=0에서 실험을 수행하였으며, 하중반복속도는 하중을 고려하여 2~3Hz에서 실시하였다. 또한 하중, 변위 및 변형률 값을 데이터 메모리 수집 장치를 이용하여 관찰하였다. 피로시험은 시험편의 균열이 20mm까지 진전될 때까지 실시하였으며 PPKH시험편의 경우는 완전 파단 될 때를 기준으로 하였다.
FPNH 시험편 5개, FPKH 시험편 5개, PPNH 시험편 6개, PPKH 시험편 7개, 총 23개의 시험편에 대하여 피로시험을 실시하였으며 각각의 시험편을 비교하여 하중과 파단수명 사이의 관계를 선도로 나타내었다. 각 모델에 대한 피로시험 결과는 Fig.
본 연구에서 제시된 모델에 대하여 구조응력을 계산하였다. Fig.
또한 하중, 변위 및 변형률 값을 데이터 메모리 수집 장치를 이용하여 관찰하였다. 피로시험은 시험편의 균열이 20mm까지 진전될 때까지 실시하였으며 PPKH시험편의 경우는 완전 파단 될 때를 기준으로 하였다.

대상 데이터

본 연구에 사용된 두 가지 종류의 longi-web connection(Load-carrying fillet welding connection)의 형상을 Fig. 1에 나타내었다. 또한 각각의 모델에 대하여 용접 방식에 따라 완전용입 용접한 시험편과 부분용입 용접한 시험편으로 나누어 총 4가지 형태로 분류하였으며 연구의 효율성을 위하여 시험에 사용된 4종류의 시험편을 Table 1과 같이 정의하여 사용하였다.
1에 나타내었다. 또한 각각의 모델에 대하여 용접 방식에 따라 완전용입 용접한 시험편과 부분용입 용접한 시험편으로 나누어 총 4가지 형태로 분류하였으며 연구의 효율성을 위하여 시험에 사용된 4종류의 시험편을 Table 1과 같이 정의하여 사용하였다.
본 연구에 사용된 피로시험 장치는 최대용량±20 ton인 축인장 압축 유압서브 피로시험기(SAGINOMIYA, Japan)를 사용하였고, 피로하중의 파형은 정현파를 사용하였다.

이론/모형

특히, PP모델의 경우 용입 부족부를 적절히 표현하기 위하여 Fig. 3에서 보는바와 같이 주판과 보강판 사이의 절점을 공유하지 않는 방법을 사용하였다(Battelle 2004).

성능/효과

(1) 각 모델에 대하여 shell 요소를 이용한 구조응력 기법으로 계산한 결과 유한요소 망 크기에 상관없이 일정한 값을 나타내었다.
(2) 4개의 모델에 대한 피로시험 결과를 등가 구조 응력 성분을 바탕으로 표시한 통합 피로 선도와 비교한 결과 4가지 모델 모두 통합 피로 선도와 잘 일치하는 경향을 보였다.

후속연구

2006). 따라서, 더욱 효율적이고 정확하게 용접부의 피로강도를 평가할 수 있을 것으로 판단된다.
(3) Shell 요소를 이용하여 용접 비드부를 모델링함으로써 추정하기 어려운 불완전용입 용접된 용접 루트부의 응력을 구조응력 기법으로 계산할 수 있다. 따라서 다양한 시편형상과 하중형태를 갖는 추가적인 실험 및 요소크기 및 형상에 따른 구조 응력 방법을 이용한 검증이 뒷받침 된다면 보다 정확하고 효율적인 기준응력 산정법으로 활용될 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	피로설계를 위한 기준응력으로 공칭응력 및 핫스팟응력을 사용하는 것의 단점은?	이러한 피로설계를 위한 기준응력으로 현재 공칭응력(nominal stress)이나 핫스팟 응력(hot spot stress)이 주로 사용되고 있다. 하지만 이러한 방법들은 각 부재에 사용되는 용접부 형상에 따른 피로시험을 수행하여 피로수명 곡선을 구해야 하는 번거로움이 있거나 유한요소 모델의 요소크기에 민감하다는 어려움이 있다. 이러한 단점을 보완하기 위해 기본적인 구조역학의 평형조건을 바탕으로 유한요소 모델의 요소크기에 둔감하다고 알려진 구조응력 기법이 보고되고 있다(Dong et al.
	피로설계를 위한 기준응력으로 주로 사용되는 것은?	특히 문제가 되는 용접 구조물의 경우는 재료 자체의 기본성질 뿐만 아니라 용접에 의한 응력집중부를 고려한 세심한 주의가 필요하다. 이러한 피로설계를 위한 기준응력으로 현재 공칭응력(nominal stress)이나 핫스팟 응력(hot spot stress)이 주로 사용되고 있다. 하지만 이러한 방법들은 각 부재에 사용되는 용접부 형상에 따른 피로시험을 수행하여 피로수명 곡선을 구해야 하는 번거로움이 있거나 유한요소 모델의 요소크기에 민감하다는 어려움이 있다.
	피로설계 기준응력으로 공칭,핫스팟 응력을 사용하는 것의 단점에 비하여 구조응력 기법의 강점은?	하지만 이러한 방법들은 각 부재에 사용되는 용접부 형상에 따른 피로시험을 수행하여 피로수명 곡선을 구해야 하는 번거로움이 있거나 유한요소 모델의 요소크기에 민감하다는 어려움이 있다. 이러한 단점을 보완하기 위해 기본적인 구조역학의 평형조건을 바탕으로 유한요소 모델의 요소크기에 둔감하다고 알려진 구조응력 기법이 보고되고 있다(Dong et al. 2001).

참고문헌 (4)

Battelle, 2004, Battelle Structural stress JIP Final Report, No. N004431-01
Dong, P., Hong, J. K. and Cao, Z., 2001, 'A Mesh Insensitive Stress Procedure for Fatigue Evaluation of Welded Structures, ' IIW Doc. No. ⅩⅢ-1902-01/ⅩⅤ-1089-01,International Institute of Welding
Ha, C.I., Kang, S.W., Kim, M.H., Kim, M.S., Sohn, S.Y. and Heo, J.H., 2006, 'A Comparative Study for the Fatigue Assessment of Fillet Weldments Using Structural Stress and Hot Spot Stress,' Journal of the Society of Naval Architects of Korea, Vol. 43, No. 4, pp. 476-483

원문보기 상세보기
Kim, Y.I., Kang, J.K. and Heo, J.H., 2005, 'A Study on the Performance of Mesh Insensitive Structural Stress for Fatigue Strength Evaluation,' Proceedings of the 2005 Spring Annual Meeting of the Naval Architects of Korea, pp. 965-970

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