[논문]등가 단위하중을 이용한 동체 구조물 피로수명 평가

김성준; 안석민; 염찬홍

등가 단위하중을 이용한 동체 구조물 피로수명 평가
Fatigue life evaluation for fuselage structure using equivalent unit load 원문보기

항공우주기술 = Aerospace engineering and technology, v.8 no.2, 2009년, pp.13 - 18

김성준 (첨단공력구조팀) , 안석민 (첨단공력구조팀) , 염찬홍 (항공미래기술연구실)

초록
AI-Helper

본 연구에서는 피로해석을 단순화하기위한 등가 단위하중 방법을 제시하였다. 그리고 등가 단위하중을 이용하여 동체구조물의 피로수명을 평가하였다. 균열진전해석에 필요한 응력확대 계수와 기하학적 형상계수를 계산하기 위하여 유한요소 해석을 수행하였다. 또한 균열진전 방향을 평가하기 위하여 변형률 에너지 밀도 계수를 사용하였다.

In this study, an equivalent unit load methodology has been presented to simplify the fatigue analysis procedure. And fuselage structure fatigue life has been evaluated based on equivalent unit load. Finite element analysis has been carried out to analyze the stress intensity factor and geometrical correction factor that is needed for crack growth analysis. And strain energy density factor is used to predict the initial direction of crack propagation.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 항공기 동체구조물에 대한 수명을 평가하기위해 등가 단위하중을 이용하여 피로해석을 수행하였다. 여러 가지 균열조건에 대한 균열성장해석을 수행하여 단위하중에 대한 타당성을 검토하였으며, 이를 이용하여 동체구조물에 대한 균열진전해석을 수행하였다.
본 연구에서는 중형 항공기급의 동체구조물을 대상으로 초기설계 단계와 수리 및 유지보수 시 효과적으로 구조물의 수명을 예측할 수 있는 해석 방법을 검토하였다. 즉 등가 피로하중을 이용하여 피로해석을 간단하게 수행할 수 있는 방법을 제시하였다.

가설 설정

균열성장해석은 응력확대계수가 K_crit에 도달하는 수명까지 계산하였다. 초기균열길이(a_i)는 0.5 in로 가정하였다. 해석 결과 임계균열길이는 5.

제안 방법

2.4.3의 결과(표5)를 이용하여 항공기 동체의 균열성장해석을 수행하였다. 균열성장해석은 응력확대계수가 K_crit에 도달하는 수명까지 계산하였다.
3가지 형태의 균열 모델(그림 2)에 대하여 균열진전 해석을 수행하여 수명을 비교하였다. 피로하중 스펙트럼과 등가하중에 대하여 수명을 계산하여 표 2에서 비교하였다.
3의 결과(표5)를 이용하여 항공기 동체의 균열성장해석을 수행하였다. 균열성장해석은 응력확대계수가 K_crit에 도달하는 수명까지 계산하였다. 초기균열길이(a_i)는 0.
여러 가지 균열조건에 대한 균열성장해석을 수행하여 단위하중에 대한 타당성을 검토하였으며, 이를 이용하여 동체구조물에 대한 균열진전해석을 수행하였다. 균열진전해석에 필요한 응력확대계수와 형상보정계수를 유한요소해석을 이용하여 계산하였으며, 변형률 에너지 밀도계수를 이용하여 초기의 균열진전방향을 예측하였다. 본 논문에서 제시한 수명해석 방법은 비교적 간단하므로 구조물의 초기설계나 수리 시 유용하게 사용할 수 있다고 판단된다.
본 논문의 내용은 첫째, 복잡한 피로하중을 등가의 단위하중 스펙트럼으로 변환하는 방법을 설명하였다. 둘째, 변형률 에너지 밀도 계수를 이용하여 초기의 균열의 진전방향을 예측하였다. 셋째, 응력확대계수(stress intensity factor) 및 기하학적 보정계수(geometrical )를 유한요소 모델로부터 얻는 방법을 설명하였다.
복잡한 구조물의 균열성장해석을 위해서는 균열길이에 따른 응력확대계수를 평가하여야 한다. 본 논문에서는 NASTRAN을 이용하여 균열 길이에 대한 응력확대계수(stress intensity factor)를 계산하고 이를 이용하여 기하학적 형상계수를 구하였다[표 5].
즉 등가 피로하중을 이용하여 피로해석을 간단하게 수행할 수 있는 방법을 제시하였다. 본 논문의 내용은 첫째, 복잡한 피로하중을 등가의 단위하중 스펙트럼으로 변환하는 방법을 설명하였다. 둘째, 변형률 에너지 밀도 계수를 이용하여 초기의 균열의 진전방향을 예측하였다.
본 절에서는 S-N선도와 누적손상 판별식인 miner's rule을 이용하여 내구성해석 측면에서 피로하중과 동일한 손상을 주는 단위하중을 유도하고 이 결과를 2.1.1절에서 얻은 결과와 비교하려 한다.
둘째, 변형률 에너지 밀도 계수를 이용하여 초기의 균열의 진전방향을 예측하였다. 셋째, 응력확대계수(stress intensity factor) 및 기하학적 보정계수(geometrical )를 유한요소 모델로부터 얻는 방법을 설명하였다. 계산된 등가하중은 균열진전해석과 S-N선도를 이용한 해석에 사용될 수 있다.
0을 적용하여 피로해석을 수행한다. 수명이 설계요구조건을 만족하지 못하는 부분에 대하여 균열진전해석을 수행한다. scatter factor 2.
본 논문에서는 항공기 동체구조물에 대한 수명을 평가하기위해 등가 단위하중을 이용하여 피로해석을 수행하였다. 여러 가지 균열조건에 대한 균열성장해석을 수행하여 단위하중에 대한 타당성을 검토하였으며, 이를 이용하여 동체구조물에 대한 균열진전해석을 수행하였다. 균열진전해석에 필요한 응력확대계수와 형상보정계수를 유한요소해석을 이용하여 계산하였으며, 변형률 에너지 밀도계수를 이용하여 초기의 균열진전방향을 예측하였다.
유한요소모델에 사용한 요소의 종류는 표 3과 같다. 유한요소해석을 수행하여 각 부위의 응력을 계산하고, 취약부위를 예측하였다.
중형항공기급의 동체에서 취약한 부위를 예측하기위해 유한요소 모델링을 수행하였다(그림 3). 기준이 된 항공기는 B717-200이다.
본 연구에서는 중형 항공기급의 동체구조물을 대상으로 초기설계 단계와 수리 및 유지보수 시 효과적으로 구조물의 수명을 예측할 수 있는 해석 방법을 검토하였다. 즉 등가 피로하중을 이용하여 피로해석을 간단하게 수행할 수 있는 방법을 제시하였다. 본 논문의 내용은 첫째, 복잡한 피로하중을 등가의 단위하중 스펙트럼으로 변환하는 방법을 설명하였다.
3가지 형태의 균열 모델(그림 2)에 대하여 균열진전 해석을 수행하여 수명을 비교하였다. 피로하중 스펙트럼과 등가하중에 대하여 수명을 계산하여 표 2에서 비교하였다. 계산에 사용한 재질은 알루미늄이다.

대상 데이터

균열선단(crack tip)에서의 각도에 따른 에너지 밀도 계수를 계산한 결과 균열은 0도 방향으로 진행함을 알 수 있다(그림 4). 계산에 사용된 재료는 AL7075-T6이다.
피로하중 스펙트럼과 등가하중에 대하여 수명을 계산하여 표 2에서 비교하였다. 계산에 사용한 재질은 알루미늄이다. 표2에서 보듯이 피로하중에 비하여 (4)식에 의해 계산된 등가하중에 의한 수명은 약 50~55%정도 크게 평가된다.
중형항공기급의 동체에서 취약한 부위를 예측하기위해 유한요소 모델링을 수행하였다(그림 3). 기준이 된 항공기는 B717-200이다. 유한요소모델에 사용한 요소의 종류는 표 3과 같다.

데이터처리

여기서 v는 포아송 비이고, µ는 전단강성 이다. 계산에 사용되는 응력확대계수는 CRACK2D 요소를 이용하여 계산하였다. 균열선단(crack tip)에서의 각도에 따른 에너지 밀도 계수를 계산한 결과 균열은 0도 방향으로 진행함을 알 수 있다(그림 4).

이론/모형

2.1.1 절에서는Walker 식을 이용하여 피로하중과 동일한 손상을 주는 단위하중을 유도하였다. 즉 균열 진전식을 이용하여 유도된 결과이다.
등가하중을 계산한 후 S-N 선도를 이용하여 수명을 평가한다. 그리고 scatter factor 3.
초기 균열의 진행방향을 예측하기 위하여 본 논문에서는 에너지 밀도계수(strain energy density factor)를 사용하였다. 등방성 재료(homogeneous material)인 경우 균열은 에너지 밀도계수가 최소가 되는 방향으로 진전한다고 알려져 있다[4].

성능/효과

5 in로 가정하였다. 해석 결과 임계균열길이는 5.18 in이고 수명은 274,050 flight로 설계요구조건을 만족시킨다. 그림 7은 균열진전 해석결과이다.

후속연구

균열진전해석에 필요한 응력확대계수와 형상보정계수를 유한요소해석을 이용하여 계산하였으며, 변형률 에너지 밀도계수를 이용하여 초기의 균열진전방향을 예측하였다. 본 논문에서 제시한 수명해석 방법은 비교적 간단하므로 구조물의 초기설계나 수리 시 유용하게 사용할 수 있다고 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	등가하중을 계산하는 방법은 무엇인가?	복잡한 피로하중을 동일한 손상을 주는 등가 단위의 사이클로 변환하는 것은 여러 가지 가정들로 인하여 실제하중 스펙트럼을 이용한 계산결과와 차이가 있게 되나 적절한 가정을 통하여 보수적인 결과를 확보한다면 충분한 효용가치가 있다고 판단된다. 등가하중을 계산하는 방법은 실제 피로하중을 사이클 카운팅(cycle counting)을 통하여 피로하중의 최대/최소값(peak/valley)과 하중 비(load ratio)성분으로 정리하고 이를 이용하여 동일한 손상을 주는 단위의 하중으로 변환하는 것이다[1]. 단위하중을 계산하는 방법은 균열 진전 식 (crack growth equation)을 이용한 방법과 S-N선도를 이용하는 방법 등이 있다[2].
	단위하중을 계산하는 방법은 무엇이 있는가?	등가하중을 계산하는 방법은 실제 피로하중을 사이클 카운팅(cycle counting)을 통하여 피로하중의 최대/최소값(peak/valley)과 하중 비(load ratio)성분으로 정리하고 이를 이용하여 동일한 손상을 주는 단위의 하중으로 변환하는 것이다[1]. 단위하중을 계산하는 방법은 균열 진전 식 (crack growth equation)을 이용한 방법과 S-N선도를 이용하는 방법 등이 있다[2].
	재료 AL7075-T6에서 균열선단에서의 각도에 따른 에너지 밀도계수를 계산한 결과는?	계산에 사용되는 응력확대계수는 CRACK2D 요소를 이용하여 계산하였다. 균열선단(crack tip)에서의 각도에 따른 에너지 밀도 계수를 계산한 결과 균열은 0도 방향으로 진행함을 알 수 있다(그림 4). 계산에 사용된 재료는 AL7075-T6이다.

참고문헌 (6)

Swift, T., "A Course in Stress Analysis Oriented Fracture Mechanics"
김성준, "등가하중을 이용한 수명평가 방법 고찰", 2001 항공기술 세미나, pp.45-52
John M. Potter and Roy T, 1987 Watanabe "Development of Fatigue Loading Spectra"
G. C. Sih, B. M. Barthelemy, "Mixed Mode Fatigue Crack Growth Predictions", Engineering Fracture Mechanics, Vol. 13, 1980, pp. 439-451

상세보기
MDC-96K9213
MSC/NASTRN Linear Static Analysis User's Guide ver. 69

LOADING...

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증