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인장시험과 유한요소해석으로 구한 파단 진변형률을 이용한 진응력-진변형률 선도 획득
Acquirement of True Stress-strain Curve Using True Fracture Strain Obtained by Tensile Test and FE Analysis 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.33 no.10 = no.289, 2009년, pp.1054 - 1064  

이경윤 (서강대학교 기계공학과 대학원) ,  김태형 (한국원자력연구원) ,  이형일 (서강대학교 기계공학과)

초록
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본 연구에서는 인장시험유한요소해석으로 재료의 파단 진변형률을 구하고, 궁극적으로 재료의 진응력-진변형률을 얻는 방법을 제안했다. 먼저 인장시험으로 얻은 응력-변형률 선도를 네킹점에서 선형 외삽해, 초기 진응력-진변형률 곡선을 설정하고, 이를 유한요소해석에 채택했다. 유한요소해석 후 Bridgman 계수 및 평판 수정계수들을 사용해, 단축 상태의 하중-진변형률 선도를 얻어 파단진변형률을 실험-해석적으로 구했다. 이 예측 파단진변형률의 실험치 대비 오차는 3% 미만이다. 이렇게 구한 파단 진변형률과 이에 상응하는 파단진응력을 구해 파단점을 결정한다. 이어 네킹점과 결정한 파단점을 연결하는 네킹 후 진응력-진변형률 선형선도를 확보하고, 이를 네킹 전의 실험선도와 결합해 최종적으로 재료의 진응력-진변형률 선도를 완성했다. 본 연구에서 제시한 실험-해석적 진응력-진변형률 곡선 획득 방법은 SS400 평판시편과 같이 파단면적 측정이 어려운 경우, 그 유용함이 배가된다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this work, we predict a true fracture strain using load-displacement curves from tensile test and finite element analysis (FEA), and suggest a method for acquiring true stress-strain (SS) curves by predicted fracture strain. We first derived the true SS curve up to necking point from load-displac...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 인장시험 및 유한요소해석으로 재료의 파단 진변형률을 구하고, 궁극적으로 재료의 진응력-진변형률을 얻는 방법을 제안했다. 먼저 인장시험으로 얻은 응력-변형률 선도를 네킹점에서 선형 외삽해, 초기 진응력-진변형률 곡선을 설정하고, 이를 유한요소해석에 채택했다.
  • 이에 본 연구에서는 인장시험과 유한요소법을 이용해 네킹 이후의 삼축응력상태를 고려한 재료의 진응력-진변형률 곡선을 얻는 방법을 제안한다. 인장시험은 SCM4, SS400 및 Al6061 소재 들로 환봉 및 평판시편들을 제작해 수행했으며, 이로부터 재료의 하중-변위 곡선들을 얻었다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
재료의 응력-변형률 곡선을 수학적으로 표현하는 두 가지 대표 모델의 한계는 무엇인가? 이와 같은 특징을 갖는 재료의 응력-변형률 곡선을 수학적으로 표현하는 두 가지 대표모델로서 Ramberg-Osgood 관계식과 Hollomon 의 구간멱함수법(8) (Hollomon piecewise power law)이 있다. 그러나 이 두 수학적 관계식들로는 단순히 실재료의 응력변형률 곡선을 변형률 전구간에 걸쳐 정확히 나타낼 수는 없다. 즉 회귀되는 변형률구간에 따라 재료들의 물성치들이 크게 달라지므로, 회귀 구간은 재료 고유의 특성을 결정짓는 주요인자가 된다.
재료는 무엇에 노출될 경우 물성이 변화하는가? 따라서 기계 또는 구조물들을 구성하는 재료의 정확한 물성평가가 선행되어야 한다. 재료가 여러 환경, 온도, 응력상태 등에 노출되면 물성들이 다양하게 변화된다. 이와 같은 이유로 최근 재료의 정확한 물성확보를 위한 평가방법들이 다수 소개되고 있으며,(1~7) 여러 산업분야들에서 실험적 응력변형률 곡선 회귀를 통한 물성확보 연구가 확대되고 있다.
재료의 응력-변형률 곡선은 어떻게 구분되는가? 대부분 재료의 응력-변형률 곡선은 초기 선형탄성 영역과 항복 이후의 비선형 탄-소성영역으로 구분된다. 이와 같은 특징을 갖는 재료의 응력-변형률 곡선을 수학적으로 표현하는 두 가지 대표모델로서 Ramberg-Osgood 관계식과 Hollomon 의 구간멱함수법(8) (Hollomon piecewise power law)이 있다.
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참고문헌 (15)

  1. Mirone, G., 2004, 'A New Model for the Elastoplastic Characterization and the Stress-Strain Deformation on the Necking Section of a Tensile Specimen,' International Journal of Solids and Structures, Vol. 41, No.13, pp. 3545 - 3564 

  2. Cabezas, E. E. and Celentano, D. J., 2004, 'Experimental and Numerical Analysis of the Tensile Test Using Sheet Specimens,' Finite Element in Analysis and Design, Vol. 40, No. 5-6, pp. 555-575 

  3. Dumoulin, S., Tabourot, L., Chappuis, C., Vacher, P. and Arrieux, R., 2003, 'Determination of the Equivalent Stress-Equivalent Strain Relationship of a Copper Sample under Tensile Loading,' Journal of Materials Processing Technology, Vol. 133, No.1-2, pp. 79-83 

  4. Gelin, J. C. and Ghouati, O., 1995, 'The Inverse Approach for the Determination of Constitutive Equations in Metal Forming,' CIRP Annals - Manufacturing Technology, Vol. 44, No. 1, pp. 189 - 192 

  5. Huber, N. and Tsakmakis, C., 1999, 'Determination of Constitutive Properties form Spherical Indentation Data Using Neural Networks. Part 2: Plasticity with Nonlinear Isotropic and Kinematic Hardening,' Journal of the Mechanics and Physics of Solids, Vol. 47, No.7, pp. 1589-1607 

  6. Lee, H., Lee, J. H. and Pharr, G. M., 2005, 'A Numerical Approach to Spherical Indentation Techniques for Material Property Evaluation,' Journal of the Mechanics and Physics of Solids, Vol. 53, No.9, pp. 2037-2069 

  7. Bressan, J. D. and Unfer, R. K., 2006, 'Construction and Validation Tests of a Torsion Test Machine,' Journal of Materials Processing Technology, Vol. 179, No. 1-3, pp. 23-29 

  8. Rice, J. R. and Rosengren, G. F., 1968, 'Plane Strain Deformation Near a Crack tip in a Power-Law Hardening Material,' Journal of the Mechanics and Physics of Solids, Vol. 16, No.1, pp. 1-12 

  9. Hyun, H. C., Lee, J. H. and Lee, H., 2008, 'Mathematical Expression for Stress-Strain Curve of Metallic Material,' Transactions of the KSME A, Vol. 32, No. 1, pp. 21-28 

  10. Bridgman, P. W., 1952, Studies in Large Plastic Flow and Fracture, McGraw Hill Book Company Inc., New York 

  11. Joun, M. S., Choi, I. S., Eom, J. G. and Lee, M. C., 2007, Finite Element Analysis of Tensile Testing with Emphasis on Necking,' Computational Materials Science, Vol. 41, No.1, pp. 63-69 

  12. Joun, M. S., Eom, J. G. and Lee, M. C., 2008, 'A New Method for Acquiring True Stress-strain Curves over a Large Range of Strains Using a Tensile Test and Finite Element Method,' Mechanics of Materials, Vol. 40, No.7, pp. 586-593 

  13. Lee, C. H. and Kobayashi, S., 1973, 'New Solutions to Rigid-plastic Deformation Problems Using a Matrix Method,' Transactions of the ASME, Vol. 95, pp. 865 - 873 

  14. ABAQUS User's Manual, 2004, Version 6.5, Hibbitt, Karlsson and Sorensen, Inc., Pawtucket, RI 

  15. Dowling, N. E., 2006, Mechanical Behavior of Materials, Third Edition, Prentice Hall, Inc 

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