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문제 정의
- 용접구조물의 피로 수명을 실험적 방법과 해석적인 방법을 사용하여 접근하였다. 본 논문에서는 용접 구조물의 주요 지지 부분이 용접으로 결합되어 있을 때 반복하중에 의한 L-형상 프레임의 피로 수명을 다양한 브래킷 보강 형태에 따라 비교하였다.
가설 설정
- n은 FEMFAT 사용자가 피로 수명을 예측하여 입력해주는 사이클 수이다. 손상치 D 가 1이 되면 예측한 피로에서 크랙이 개시되어 파괴가 일어난다고 가정한 것이다. 따라서 피로 해석에서 손상치가 1 이 되는 시점에서 사이클 수n을 피로 수명으로 정하였다.
제안 방법
- 1) L 형상 프레임의 유한요소 모델을 이용하여 정적 해석을 수행하고 응력분포를 얻는다.
- 3) 손상치와 안전율을 평가한다.
- L형 용접프레임은 반복하중을 받는 구조물이다. 그리고 이프레임은 각형각관을 기본 모재로 사용하고 구조물의 강도를 향상시키기 위해 브래킷을 용접하여 보강하였다. 본 연구에서는 Fig.
- 경계조건은 그림에서 위쪽 구멍 부분에 X축 방향의 회전만 허용하는 핀 고정 조건을 적용하였고 하중은 아래쪽 핀 고정된 구멍 부분에 수직 방향으로 인 장 하중이 작용하였다. 다른 브래킷 모델들도 동일한 하중 조건, 경계조건, 대칭 조건을 적용하여 해석을 수행하였다.
- 손상치 D 가 1이 되면 예측한 피로에서 크랙이 개시되어 파괴가 일어난다고 가정한 것이다. 따라서 피로 해석에서 손상치가 1 이 되는 시점에서 사이클 수n을 피로 수명으로 정하였다.
- 이 논문을 쓰기 위 한 실험적인 방법은 고속도로 용접구조물을 연구한 Foly<4) 논문을 참고하였다. 또한 Irving⑶은 고속 해양 운송기의 브래킷 용접 구조물의 형상을 변화시키며 실험적 방법과 해석적 방법을 비교한 연구를 수행하였다. 용접구조물의 피로 수명을 실험적 방법과 해석적인 방법을 사용하여 접근하였다.
- 3에서 보는 것과 같이 지름 20 mm 의 구멍을 시편 끝부분에 만들어줬다. 또한 생성된 구멍 주위에 응력집중이 발생하는 것을 방지해주기 위해 각형 각 관의 관 안쪽에 사각형 구멍과 동일한 크기의 강철블록(60x40x60)을 끼워넣고 용접하였다 (Fig. 3의 빗금 친부분). 시험기와 시편을 연결하기 위 해치 구를 제작하였고 시편과 치구는 지름 20 mm 연마봉으로 연결하였다.
- 그리고 이프레임은 각형각관을 기본 모재로 사용하고 구조물의 강도를 향상시키기 위해 브래킷을 용접하여 보강하였다. 본 연구에서는 Fig. 1 과 같이 A, B, C, D 4가지 타입의 브래킷을 비교연구하였다. Fig.
- 본 연구에서는 L 형상 용접구조물의 피로 시험과 피로 해석을 브래킷의 종류에 따라 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 3의 빗금 친부분). 시험기와 시편을 연결하기 위 해치 구를 제작하였고 시편과 치구는 지름 20 mm 연마봉으로 연결하였다.
- 용접 구조물의 피로 수명은 수치해 석 손상치와 비교하였다.
- 용접 조건 등을 설정한다. 용접 조건은 FEMFAT WELD module的을 이용하여 표현하였다.
- 또한 Irving⑶은 고속 해양 운송기의 브래킷 용접 구조물의 형상을 변화시키며 실험적 방법과 해석적 방법을 비교한 연구를 수행하였다. 용접구조물의 피로 수명을 실험적 방법과 해석적인 방법을 사용하여 접근하였다. 본 논문에서는 용접 구조물의 주요 지지 부분이 용접으로 결합되어 있을 때 반복하중에 의한 L-형상 프레임의 피로 수명을 다양한 브래킷 보강 형태에 따라 비교하였다.
- 유한요소 모델은 대칭형상을 고려하여 1/2만 모델링하였다. 프레임과 브래킷의 해석에는 탄성계수E= 210 GPa, 푸아송비 v= 0.
- 정적 구조 해석은 탄성 영역에서만 수행되었으며 그래프에서 확인할 수 있듯이 탄성영역에서는 시험 값과 해석 값이 유사함을 알 수 있다. 이를 근거로 피로시험에 적용하여 해석을 수행하였다.
- 의 유압서 보식 만능피로시험기로서 최대 용량은 200 kN이다. 정적 인장 시험은 Type-A 프레임으로 실시했으며 5 mm/min 의 일정한 속도로 인장 시험을 수행하였다. Fig.
- Nastran 프로그램을 solver로 사용하여 비선형 정적 해석을 수행하였다. 정적 해석은 10개의 하중단계(load step)로 나누워서 하중 단계가 증가할 때마다 하중값이 커지는 방식으로 해석을 하였다.
- 피로 수명은 항복하중 26 kN을 기준으로 하여 수행되었고 모든 용접 프레임 구조물에 동일하게 적용하여 상대적으로 어느 프레임이 우수한 성능을 가지고 있는지 평가하였다. Fig.
- 38 kN 이다. 피로 하중은 이 값의 70%, 26 kN 으로 정하여 각각 4가지 모델에 적용하여 피로 실험을 실시하였다. 피로시험에 사용된 시험기는 정적 인장시험과 동일한 시험기이며 가진 주파수는 3 Hz, 하중비 (load ratio) R = 0.
- 피로시험을 하기 위한 피로 하중을 얻기 위해 정적 인장 시험을 선행하여 실시하였다. 정적 인장시험에 사용된 시험기는 SHIMADZU Co.
대상 데이터
- 정적 인장 시험은 Type-A 프레임으로 실시했으며 5 mm/min 의 일정한 속도로 인장 시험을 수행하였다. Fig. 3과 같이 세 곳에 강재용 스트레인 게이지 (Kyowa ; KFG-1-120-C1-11L1M2R)로 부착하여 스트레인을 측정하였다.
- 시편은 60x40 단면과 2.3 mm 두께를 가지는 구조용 각형각관으로 제작된다. Table 1은 구조용각형각관의 나라별 규격 명칭을 나타낸 것이며 구조용 각형각관은 ASTM 규격에서 A500/Gr B 로 KS 규격에서는 D 3568/SPSR 400으로 명명한다.
- 프레임과 브래킷의 해석에는 탄성계수E= 210 GPa, 푸아송비 v= 0.3, 밀도 p = 7850 kg/m3, 항복강도 oy= 255 MPa을 사용하였다. Fig.
- 피로 하중은 이 값의 70%, 26 kN 으로 정하여 각각 4가지 모델에 적용하여 피로 실험을 실시하였다. 피로시험에 사용된 시험기는 정적 인장시험과 동일한 시험기이며 가진 주파수는 3 Hz, 하중비 (load ratio) R = 0.1을 적용하였다. 피로시험은 각 모델에 대해 1개씩 총 4개의 시편으로 실시하였다.
- 1을 적용하였다. 피로시험은 각 모델에 대해 1개씩 총 4개의 시편으로 실시하였다.
데이터처리
- 정적 구조 해석은 MSC. Nastran 프로그램을 solver로 사용하여 비선형 정적 해석을 수행하였다. 정적 해석은 10개의 하중단계(load step)로 나누워서 하중 단계가 증가할 때마다 하중값이 커지는 방식으로 해석을 하였다.
- 3의 스트레인 게이지② 위치를 비교한 것이고 실험에 의한 결과를 보면 '항복하중은 30 kN, 극한하중은 38 kN이다. 정적 구조 해석 결과 비선형 정적 해석을 통하여 하중값이 증가함에 따라 변형률 값을 계산하였다. 정적 구조 해석은 탄성 영역에서만 수행되었으며 그래프에서 확인할 수 있듯이 탄성영역에서는 시험 값과 해석 값이 유사함을 알 수 있다.
- 피로해석은 상용프로그램인 FEMFAT 프로그램을 사용하여 해석을 하였다. FEMFAT 프로그램은 시험 결과를 바탕으로 다양한 재료의 S-N 커브 데이터를 제공해준다.
이론/모형
- 유한요소법은 L 형상 프레임 구조물의 변형률, 하중 분포 그리고 피로 수명을 예측하는 데 사용되었다. L 형상 프레임에 사용된 요소는 8절 점 솔리드 요소 (CHEXA)를 사용하여 모델링 되어졌고 사용된 요소 수는 각 모델에 따라 총 13, 336 ~ 22, 475이며 절점 수는 20, 944 〜 31, 795 이다.
- 따라서 구조물의 안전성과 신뢰성을 확보하기 위해서는 설계 단계에서부터 피로를 고려한 설계를 하는 것이 요구된다⑴ 피로에 관련된 최근 연구들은 저 사이클 피로 파괴의 시뮬레이션 구현을 김민건 등(2)의 연구와 용접 구조상세의 피로 수명 평 가를 한정우 등®의 연구가 있다. 이 논문을 쓰기 위 한 실험적인 방법은 고속도로 용접구조물을 연구한 Foly<4) 논문을 참고하였다. 또한 Irving⑶은 고속 해양 운송기의 브래킷 용접 구조물의 형상을 변화시키며 실험적 방법과 해석적 방법을 비교한 연구를 수행하였다.
성능/효과
- (2) 전체 보강브래킷 프레임(Type-D)이 가장 큰 피로 수명을 가지며 보강 품질계 수도 가장 큰 결과를 나타내었다. 반면에, 두 개 사각형 보강 브래킷 프레임(Type-A)이 가장 낮은 피로 수명과 보강 품질계수를 갖는다.
- (3) 피로 수명 해석 결과는 피로시험 결과와 비교하였을 때 20 - 32 % 차이를 보였다. 이와 같은 차이는 프레임 시험과 유한요소 해석에 의한 최대 응력 차이에 기인한다고 판단된다.
- Type-A가 가장 낮은 피로 수명을 가지며 완전보강된 Type-D가 시험 결과와 해석 결과에서 가장 큰 피로 수명을 나타내었다.
- Table 2는 각각의 브래킷의 무게와 보강 품질 계수를 나타낸 것으로 Type-D 브래킷이 가장 무겁고 Type-C 브래킷이 가장 가볍다. 각 브래킷의 보강 품질계수를 비교해본 결과, Type-D 브래킷은 가장 높은 보강 품질계수, n= 12.463 을 나타내었다. 그리고 Type-A 브래킷은 가장 낮은 보강 품질 계수, n, = 6.
- 최대 응력 차이에 기인한다고 판단된다. 각 프레임 구조물에서 피로 수명은 시험 및 해석을 통해각 보강 형태에 따른 특성을 확인할 수 있었다.
- 피로해석 결과는 피로 파괴가 842 사이클에서 일어났다. 두 개 측면 오각형 보강 브래킷 프레임(Type-B)은 시험결과에서 i486 사이클에서 피로 파괴가 일어났고 피로 해석 결과에서는 1050 사이클에서 피로 파괴가 일어났다. 다음으로 삼각판 보강 브래킷 프레임(Type-C)은 시험 결과에서 1320 사이클에서 파괴가 일어났고, 피로 해석 값에서는 988 사이클에서 파괴가 일어났다.
- 피로시험 결과와 피로 해석 결과 사이에 피로 파괴 사이클 수는 다소 차이가 발생하였다. 수치 해석에 의한 피로 수명은 실험에 의한 피로 수명 결과보다 낮게 평가되었고 20 ~ 32 % 차이(difference)가 있는 것으로 나타났다.
- 다음으로 삼각판 보강 브래킷 프레임(Type-C)은 시험 결과에서 1320 사이클에서 파괴가 일어났고, 피로 해석 값에서는 988 사이클에서 파괴가 일어났다. 전체 보강 브래킷 프레임(Type-D)은 시험 결과에서 가장 높은 3123사이클에서 파괴가 일어났고 피로 해석 결과에서 2567 사이클에서 파괴가 일어났다. 피로시험 결과와 피로 해석 결과 사이에 피로 파괴 사이클 수는 다소 차이가 발생하였다.
- 두 개 사각형 보강 브래킷 프레임(Type-A)은 다른 형태의 브래킷 프레임과 상대적인 강도를 평가하기 위한 기준으로 사용되었다. 피로시험 결과 Type-A 브래킷 프레임은 가장 낮은 1251 사이클 수에서 피로 파괴가 일어났다. 피로해석 결과는 피로 파괴가 842 사이클에서 일어났다.
- 전체 보강 브래킷 프레임(Type-D)은 시험 결과에서 가장 높은 3123사이클에서 파괴가 일어났고 피로 해석 결과에서 2567 사이클에서 파괴가 일어났다. 피로시험 결과와 피로 해석 결과 사이에 피로 파괴 사이클 수는 다소 차이가 발생하였다. 수치 해석에 의한 피로 수명은 실험에 의한 피로 수명 결과보다 낮게 평가되었고 20 ~ 32 % 차이(difference)가 있는 것으로 나타났다.
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