[논문]자긴가공된 후육실린더의 잔류응력 해석에 관한 연구

김재훈; 심우성; 이영신; 차기업; 홍석균

자긴가공된 후육실린더의 잔류응력 해석에 관한 연구
A Study on Residual Stress Analysis of Autofrettaged Thick-walled Cylinders 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.26 no.12 = no.225, 2009년, pp.110 - 116

김재훈 (충남대학교 기계설계공학과) , 심우성 (충남대학교 기계설계공학과) , 이영신 (충남대학교 기계설계공학과) , 차기업 (국방과학연구소) , 홍석균 (국방과학연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

Thick-walled cylinders, such as a cannon or nuclear reactor, are autofrettaged to induce advantageous residual stresses into pressure vessels and to increase operating pressure and the fatigue lifetimes. As the autofrettage level increases, the magnitude of compressive residual stress at the bore also increases. However, the Bauschinger effect reduces the compressive residual stresses as a result of prior tensile plastic strain, and decreases the beneficial autofrettage effect. The purpose of the present paper is to predict the accurate residual stress of SNCM8 high strength steel using the Kendall model which was adopted by ASME Code. The uniaxial Bauschinger effect test was performed to decide BEF, then this constant was used in calculation. There were some differences between theoretical solution and modified solution.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 압력용기용 강인 SNCM8 고강도 강의 인장 및 바우싱거 효과 실험을 수행하였다. 실험으로부터 얻은 기계적 특성과 바우싱거 효과계수를 이용하여, 자긴도에 따른 단일 실린더의자긴가공 해석을 유한요소 프로그램 및 이론 식을 이용하여 구하였다.

가설 설정

Pi 는 실린더에 작용하는 내압, r 은 임의의 반경이다. 양단이 뚫린 실린더의 경우에는 평면응력상태 (plane stress) 조건에 의하여 oz 으로 가정하였다. 재료의 완전 탄-소성 거동 (elastic-perfectly plastic behavior) 및 Tresca 항복 조건을 가정하면 임의의 자긴 도로 가공할 때 자긴압력은 다음 같이 얻을 수 있다.

제안 방법

계산 결과 자긴도 증가에 비례하여 자긴가공 효과가 감소되는 것을 확인하였다. 30%, 50%, 70%의 자긴가공 시, 시험편의 내경에서 압축 잔류응력의 크기는 이론식과 비교하여 각각 40MPa, 150MPa, 220MPa 씩 감소되는 것을 혹-인하였다.
Eq. 3의 결과를 이용하여 각각 자긴도에 따른 잔류응력 이론 식과 유한요소 프로그램을 이용한 자 긴 가공 해석을 수행하였다. Fig.
SNCM8 고강도강의 기계적 특성 및 바우싱거효과를 이용하여 가공 압력에 따른 단일 실린더에서 자긴가공 잔류응력 분포 해석을 이론식 및 유한요소 프로그램을 이용하여 수행하였으며 결론은 다음과 같다.
만능재료 시험기이다. SNCM8 고강도강의 바우싱거 효과를 알아내기 위하여 일축 인장-압축 시험을 수행하였다. 일정 변형률 속도 하에서 변형률 제어 실험을 수행하였다.
SNCM8 을 이용하여 인장 실험으로부터 탄성계수, 항복강도, 인장강도, 연신율 및 단면수축률 등의 다양한 기계적 특성을 얻었다. 본 결과를 이용하여 자긴도에 따른 실린더의 자긴가공 압력을 계산하였으며, 유한요소 해석에 이용하였다.
실험으로부터 얻은 기계적 특성과 바우싱거 효과계수를 이용하여, 자긴도에 따른 단일 실린더의자긴가공 해석을 유한요소 프로그램 및 이론 식을 이용하여 구하였다. 또한 ASME 규정에서 정한 방법을 이용하여 잔류응력 분포를 예측한 값과 비교하였다.
본 결과를 이용하여 자긴도에 따른 실린더의 자긴가공 압력을 계산하였으며, 유한요소 해석에 이용하였다. 바우싱거 실험을 통하여 소성 변형률이 압축항복강도의저하에 어떠한 영향을 미치는지 알아보기 위하여 각각의 실험을 오프셋 방법을 이용하여 탄성 구간과 소성구간으로 나누었다.
다양한 기계적 특성을 얻었다. 본 결과를 이용하여 자긴도에 따른 실린더의 자긴가공 압력을 계산하였으며, 유한요소 해석에 이용하였다. 바우싱거 실험을 통하여 소성 변형률이 압축항복강도의저하에 어떠한 영향을 미치는지 알아보기 위하여 각각의 실험을 오프셋 방법을 이용하여 탄성 구간과 소성구간으로 나누었다.
일정 변형률 속도 하에서 변형률 제어 실험을 수행하였다. 수행한 전변형률 범위는 0.5%, 1%, 1.5%, 2%, 3%, 4%으로 선택적으로 시험하였다. Fig.
수행하였다. 실험으로부터 얻은 기계적 특성과 바우싱거 효과계수를 이용하여, 자긴도에 따른 단일 실린더의자긴가공 해석을 유한요소 프로그램 및 이론 식을 이용하여 구하였다. 또한 ASME 규정에서 정한 방법을 이용하여 잔류응력 분포를 예측한 값과 비교하였다.
본 시험편의 화학적 조성은 Table 1 과 같으며, Table 2는 기계적 특성을 보여준다. 인장시험 결과 얻은 데이터를 이용 가공경화를 고려하여 유한요소 및 이론식에 이용하였다.
SNCM8 고강도강의 바우싱거 효과를 알아내기 위하여 일축 인장-압축 시험을 수행하였다. 일정 변형률 속도 하에서 변형률 제어 실험을 수행하였다. 수행한 전변형률 범위는 0.

대상 데이터

본 연구에 사용된 소재는 압력용기용 SNCM8 고강도 강이다. 본 시험편의 화학적 조성은 Table 1 과 같으며, Table 2는 기계적 특성을 보여준다.
연구에 사용된 시험기는 MTS 사의 10 톤 용량의 만능재료 시험기이다. SNCM8 고강도강의 바우싱거 효과를 알아내기 위하여 일축 인장-압축 시험을 수행하였다.

이론/모형

또한 ASMECode 집에서 규정한 Kendall 모델을 이용하여 자긴가공에 의한 간류응력을 추정하였다. σθ와 σr의 크기가 같은 반경을 rz 라고 정의할 때, 구간 #에서 잔류응력분포는 다음과 같다.
본 연구에서 자긴가공 공정을 해석하기 위하여 ABAQUS 6.6 을 사용하였다 ” 모델은 4 절점 요소를 적용하였으며 전체 6430 여개의 요소를 사용하여 다양한 자긴가공 조건하에서 해석하였다.
바우싱거 현상은 1881년 프랑스의 공학자 5에 의하여 밝혀졌다. 초기 바우싱 거 효과 실험 은 Milligan6 등에 의하여 AISI 4340 고강도 강에 대해 바우싱거 효과 실험을 실시하였으며, 처음으로 바우싱거 효과 크기의 척도가 되는 바우싱거효과 계수 (BEF) 에 대하여 언급하였다. 2003 년 Troiano 7 등은 다양한 고강도강에 대하여 바우싱 거효과 특성 시험을 다양한 변형률 조건하에서 실시하였다.

성능/효과

1) SNCM8 강에서 바우싱거 실험에 의하여 인장 소성 변형률에 의하여 압축에서 항복강도가 줄어드는 현상을 확인하였다. 0-1.
2) 후육실린더에서 이론식과 유한요소 해석 결과는 거의 일치하고 있다. 자긴가공 압력이 증가할수록 내경에서 유도되는 압축 잔류응력의 크기는 증가한다.
3) 자긴도의 증가에 따라 소성 변형률의 크기 또한 커진다. 이는 자긴도가 증가함에 따라 얻을 수 있는 압축잔류응력의 크기가 바우싱거 효과에 의해서 상대적으로 작아질 수 있음을 의미한다.
4) 내경에서 압축 잔류응력의 크기는 항복강도와 비가 0.4 보다 작은 경우 바우싱거 효과를 고려하며 자긴도가 높아질수록 완전 탄-소성 이론식과바우싱거 효과를 고려하였을 경우 내경에서의 압축 잔류응력의 차이는 커진다.
5) 30%, 50%, 70% 자긴가공 시, 압축 잔류응력의 크기는 각각 40MPa, 150MPa, 220MPa의 차이 를보인다.
8 의 이론식으로부터 구한 잔류응력 분포를 비교한 것이다. 계산 결과 자긴도 증가에 비례하여 자긴가공 효과가 감소되는 것을 확인하였다. 30%, 50%, 70%의 자긴가공 시, 시험편의 내경에서 압축 잔류응력의 크기는 이론식과 비교하여 각각 40MPa, 150MPa, 220MPa 씩 감소되는 것을 혹-인하였다.
Perry 8 등은 다양한 포신용 고강도강에서 바우싱거 효과가 항복강도, 탄성계수 그리고 포아송의 비에 미치는 영향에 대하여 연구하였다. 실험 결과 항복강도 및 탄성계수는 소성 변형률에 크게 영향을 받고, 포아송의 비는 이에 전혀 영향을 받지 않는 것으로 밝혀졌다. 다양한 재료에 대하여 바우싱거 특성실험 결과를 토대로 하여 많은 저자에 의하여 실제 재료의 거동에 따른 정확한 자긴가공 잔류응력을 예측하는 다양한 방법이 제시되었다.
2003 년 Troiano 7 등은 다양한 고강도강에 대하여 바우싱 거효과 특성 시험을 다양한 변형률 조건하에서 실시하였다. 실험결과 바우싱거 효과 계수는 소성 변형률에 의존함을 밝혔다. 2006 년 J.
바우싱거효과 실험에서 바우싱거 효과는 소성 변형률에 따라 크거 영향을 받고 있으며, 이는 자긴도에 따른 소성 변형률의 증가에 의하여 더욱 큰 바우싱거 효과가 발생함을 의미한다. 자긴가공에 의한 잔류응력 분포 이론식과 유한요소해석 결과는 잘 일치함을 확인하였다.

참고문헌 (13)

Park, J. H. and Lee, Y. S., 'Machining Analysis of the Autofrettaged Compound Cylinder,' Trans. of the KSME, Vol. 7, No.7, pp. 800-807, 2007
Huang, X. P. and Cui, W. C., 'Effect of Bauschinger effect and Yield Criterion on Residual Stress Distribution of Autofrettaged Tube,' Journal of Pressure Vessel Technology, Vol. 128, No.2, pp. 212- 216,2006

상세보기
Koh, S. K., Song, W. J., Seo, K. S. and Choi, H. S., 'Autofrettage of Fuel Injection Pipe for Disel Engine,' Proc. of the KSME Autumn Conference, pp. 1823-1828,2007
Hill, R., 'The Mathematical Theory of Plasticity,' Oxford University Press, pp. 114-127, 1950
Bauschinger, J., 'Ueber die Veranderung der Elasticitatagrenze und dea Elasticitamoduls Verschiadener Metalle,' Zivilingenieur, pp. 289-348, 1881
Milligan, R. V., Koo, W. H. and Davidson, T. E., 'The Bauschinger Effect in a High-Strength Steel,' ASME Journal of Basic Engineering, Vol. 88, No.2, pp. 480- 488, 1966

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Toriano, E., Parker, A. P. and Underwood, J. H., 'Experimental Data, Numerical Fit and Fatigue Life Calculations Relating to the Bauschinger Effect in High-Strength Armament Steels,' Journal of Pressure Vessel Technology, Vol. 125, No.3, pp. 330-334, 2003

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Perry, J., Pearl, M., Shneck, R. and Haroush, S., 'The Influence of the Bauschinger Effect on the Yield Stress, Young's Modulus, and Poisson's Ratio of a Gun Barrel Steel,' Jounal of Pressure Vessel Technology, Vol. 128, No.2, pp. 179-184,2006

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Timoshenko, S. P. and Goodier, J. N., 'Theory of Elasticity,' McGraw-Hill, 1970
Majzoobi, G. H., Farrahi, G. H. and Mahmoudi, A. H., 'A Finite Element simulation and an experimental study of autofrettage for strain hardened thick-walled cylinders,' Materials Science and Engineering A, Vol. 359, No. 1-2, pp. 326-331, 2003

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Park K. S. and Chugn I. S, 'Thinking about the Baushinger effect,' Journal of Korean Institute of Metals and Materials, Vol. 20, No.9, pp. 794-801, 1982
ASME, 'Boiler and Pressure Vessel Code, Section VIII, Division 3, Appendix D,' 2001
Habbit, Karlsson and Sorensen, Inc., 'ABAQUS version 6.6 User Manual,' 2004

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