[논문]철도차량 차체 가스용접 이음재의 가속수명예측과 신뢰도 평가

백승엽

doi:10.5781/kwjs.2010.28.1.077

철도차량 차체 가스용접 이음재의 가속수명예측과 신뢰도 평가
Reliability Assessment and Accelerated Life Prediction of Gas Welded Joint in the Rail Road Car Body (1. Plug and Ring Type) 원문보기

大韓溶接·接合學會誌 = Journal of the Korean Welding and Joining Society, v.28 no.1, 2010년, pp.77 - 85

백승엽 (서일대학 자동차과)

Abstract ▼ AI-Helper

Stainless steel sheets are widely used as the structure material for the railroad cars and the commercial vehicles. These kinds structures used stainless steel sheets are commonly fabricated by using the gas welding. Gas welding is very important and useful technology in fabrication of a railroad car and vehicles structure.However fatigue strength of the gas welded joints is considerably lower than parent metal due to stress concentration at the weld, fatigue strength evaluation of gas welded joints are very important to evaluate the reliability and durability of railroad cars and to establish a criterion of long life fatigue design. In this paper, $({\Delta}{\sigma}_a)_R-N_f$ curve were obtained by fatigue tests. Using these results, the accelerated life test(ALT) was conducted. From the experimental results, an acceleration model was derived and acceleration factors are estimated. So it is intended to obtain the useful information for the fatigue lifetime of plug and ring gas welded joints and data analysis by statistic reliability method, to save time and cost, and to develop optimum accelerated life prediction plans.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이러한 문제들을 개선하고 신뢰성 있는 설계를 위해서는 실제 피로시험을 통하여 획득한 피로데이터를 통계적으로 평가하고 해석하는 것이 효과적일 것이다. 따라서 본 연구에서는 설계의 신뢰도를 높이기 위해 동일한 시험환경 조건에서 획득한 피로데이터를 통계적으로 분석하고, 다양한 가스용접이음재의 피로수명을 예측함과 동시에 실제 피로시험 데이터와 비교하여 예측된 피로데이터의 신뢰도를 평가하였다. 또한 임의의 목표수명을 예측하고, 예측된 수명의 신뢰도와 신뢰구간을 분석함으로써, 다양한 피로설계 방안에 대해 검토할 수 있도록 하였다.
따라서 본 연구에서는 설계의 신뢰도를 높이기 위해 동일한 시험환경 조건에서 획득한 피로데이터를 통계적으로 분석하고, 다양한 가스용접이음재의 피로수명을 예측함과 동시에 실제 피로시험 데이터와 비교하여 예측된 피로데이터의 신뢰도를 평가하였다. 또한 임의의 목표수명을 예측하고, 예측된 수명의 신뢰도와 신뢰구간을 분석함으로써, 다양한 피로설계 방안에 대해 검토할 수 있도록 하였다. 본 연구의 전체적 흐름은 Fig.

가설 설정

Table 7은 수명-스트레스 관계의 역 누승 모형을 이용한 플러그와 링 용접 이음재의 가속수명 추정 식을 나타낸 것이다. 가속조건은 무한수명에 해당하는 10⁷ Cycles의 피로한도 조건을 정상상태로 놓았을 경우 최대 인장강도의 70%, 50%, 30%를 가속조건으로 가정 하였으며, 통계적 해석 및 데이터 분석에 사용된 상용 프로그램은 MINITAB 14.0을 사용하였다.

제안 방법

가스용접은 용융용접이므로 가열·냉각의 용접 열 사이클 동안 일어나는 재료의 상 변화에 따른 성질변화와 대류(convection), 팽창·수축 등의 제 현상을 실제와 같이 재현하는 것이 타당하 겠지만, 데이터를 확보하는 것이 실질적으로 매우 어렵기 때문에, 본 연구에서는 온도의존적인 재료성질, 탄성계수(young’s modulus), 항복강도(yield strength), 열팽창 계수(thermal expansion coefficient) 그리고 열전도도(thermal conductivity) 등만을 고려하여 Fig. 7의 과정으로 비선형 유한요소해석을 하였다.
따라서, 용접부에 대한 탄성계수(Young’s modulus)등의 기계적 성질은 실제적으로 모재와 달리해야 타당하나, 용접금속의 기계적 성질을 정량적으로 직접 측정하기 매우 어렵기 때문에, 본 연구에서는 모재에 비해 경도(hardness)와 강도(strength) 등의 기계적 성질이 상대적으로 크다는 사실을 바탕으로 용접금속의 기계적 성질을 모재보다 크게 설정하였으며, 열 영향부와 용접잔류 응력은 고려하지 않고 해석하였다.
=0)인 정현파(sine wave)로 하였다. 무한수명의 한계피로 한도(low fatigue limit)를 구하기 위해서 Table 3과 같은 용접 종류별 시편을 최대인장강도(maximum tensile strength)의 90%에서 10%씩 하중을 감소시키면서, JIS Z 2273 및 JIS Z 3103에 의거 피로실험을 수행하였고, 무한수명의 피로한도(fatigue limit)를 구하기 위해서는 10⁷ cycles에 도달 할 때까지 실험을 진행하였다.
본 연구에서는 설계기준을 결정하는데 필요한 피로데이터(fatigue data) 도출과정에서 발생할 수 있는 변동성을 최소화하기 위해서, 확률론적 접근방법인 가속수명 예측기법을 이용하여, 피로 데이터(⊿σa)R-Nf관계와 가속수명예측 데이터(⊿σa)R-(Nf)ALP와 의 관계를 비교분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 하중의 반복속도를 25 Hz로 하고, 부하형태는 하중비(load ratio;R=P_min/P_max)가 0(P_min=0)인 정현파(sine wave)로 하였다. 무한수명의 한계피로 한도(low fatigue limit)를 구하기 위해서 Table 3과 같은 용접 종류별 시편을 최대인장강도(maximum tensile strength)의 90%에서 10%씩 하중을 감소시키면서, JIS Z 2273 및 JIS Z 3103에 의거 피로실험을 수행하였고, 무한수명의 피로한도(fatigue limit)를 구하기 위해서는 10⁷ cycles에 도달 할 때까지 실험을 진행하였다.
수치해석은 열 해석과 열응력 해석 두 부분으로 수행하였다. 플러그 및 링 타입 모두 가스용접 조건과 방법이 같기 때문에 응력분포해석을 수행한 동일한 3D FEA 모델을 사용하였다.
11과 같이 시간경과에 따른 유효수명과 고장률곡선(failure rate curve)과의 관계를 분석하는 것이다. 초기고장률 (decreasing failure rate ; DFR), 우발고장률 (constant failure rate ; CFR), 마모고장률 (increasing failure rate ; IFR)로 나타내기 위해 분석된 형상모수 값, 척도모수 값, 위치모수 값으로 고장유형을 검정한다.
피로수명데이터의 모수통계량 분석이 가능함을 검정하기위해 플러그와 링 용접 이음재의 가속성 분석을 하였다. 두 가속조건 하에서 수명데이터를 확률지에 타점했을 경우, 각 조건에 적합한 직선이 서로 평행하면 두 조건 사이에 가속성이 성립(P value≥0.

대상 데이터

2와 같은 형상과 크기로 Table 3과 같이 용접종류별 동종재(similar material) 및 이종재(dissimilar material) 가스 용접한 이음재 시편으로, Table 4와 같은 용접조건으로 제작하였다. 사용된 피로실험 장치는 서보 유압식 피로시험기(MTS, 용량 ; 10 ton)이며, 면압식 지그(Jig)는 자체 설계하여 제작하였다.
유한요소해석 모델의 재료는 철도차량 차체재료로 사용되고 있는 STS 301L 판재이며, Table 1, 2의 재료 성질을 입력데이터로 사용하였으며, Fig. 3은 유한요소해석을 위한 경계조건을 나타낸 것이다. 유한요소 해석 모델의 구성은 용접금속(weld metal)과 열 영향부(heat affected zone;HAZ)는 용접과정에서 용가재 Table 3 Specimen of the various gas welded joints(filler metal)와 입열의 영향에 의해 엄밀히 모재와는 다른 성질을 갖는다.
피로시험편은 Fig. 2와 같은 형상과 크기로 Table 3과 같이 용접종류별 동종재(similar material) 및 이종재(dissimilar material) 가스 용접한 이음재 시편으로, Table 4와 같은 용접조건으로 제작하였다. 사용된 피로실험 장치는 서보 유압식 피로시험기(MTS, 용량 ; 10 ton)이며, 면압식 지그(Jig)는 자체 설계하여 제작하였다.
해석에 사용된 요소(element)는 3차원 육면체요소로 각 이음과 형상별 요소 및 절점 수는 플러그 용접은 315,450, 링 용접은 353,498이다. 그리고 모델링과 탄·소성 해석은 상용프로그램인 I-DEAS 11nx, ABAQUS 6.

이론/모형

그리고 모델링과 탄·소성 해석은 상용프로그램인 I-DEAS 11nx, ABAQUS 6.7을 사용하였다.
본 연구에서는 식(1)의 역 누승 모형(inverse power model)을 적용하였다. Table 7은 수명-스트레스 관계의 역 누승 모형을 이용한 플러그와 링 용접 이음재의 가속수명 추정 식을 나타낸 것이다.
수치해석은 열 해석과 열응력 해석 두 부분으로 수행하였다. 플러그 및 링 타입 모두 가스용접 조건과 방법이 같기 때문에 응력분포해석을 수행한 동일한 3D FEA 모델을 사용하였다. 가스용접은 용융용접이므로 가열·냉각의 용접 열 사이클 동안 일어나는 재료의 상 변화에 따른 성질변화와 대류(convection), 팽창·수축 등의 제 현상을 실제와 같이 재현하는 것이 타당하 겠지만, 데이터를 확보하는 것이 실질적으로 매우 어렵기 때문에, 본 연구에서는 온도의존적인 재료성질, 탄성계수(young’s modulus), 항복강도(yield strength), 열팽창 계수(thermal expansion coefficient) 그리고 열전도도(thermal conductivity) 등만을 고려하여 Fig.

성능/효과

Δσ-Nf 선도의 데이터 분산 폭이 ΔP-Nf 선도의 데이터 분산보다 전체적으로 감소하는 결과를 나타났다.
1) 가속수명예측을 위한 통계적 최적분포는 플러그 용접 이음재 ST(1.5)+ST(1.5)에서 와이블 분포 또는 대수정규분포, 플러그용접의 ST(1.5)+HT(1.5), ST(1.5)+DLT(1.5)와 링 용접은 와이블 분포로 분석되었으며, 실제 피로시험데이터를 기준으로 가속수명예측의 수명 신뢰도의 정확도는 플러그용접이 평균 85%, 링 용접이 평균 89% 분석이 되었다.
2) 와이블 분포함수의 형상모수와 대수정규분포함수의 척도모수에 의한 적합분포모델은 비슷한 분포함수로 평가되었으나, 가속식의 형상모수 값과 척도모수 값은 예측수명을 좌우하는 중요한 파라메타 값이므로, 가속성 검증 시 모집단의 산포에 따른 기울기 편차의 가속성 성립 판단은 신중히 고려해야 할 필요가 있다.
가속된 최대인장하중과 수명과의 관계가 95% 신뢰도, 유의수준 5%에서 모두 평행하게 분석((P value≥0.05)됨으로써 가속성이 성립하는 것으로 판단되었다.
플러그 및 링 타입 가스용접 이음재 피로수명 예측치의 정확도가 평균 85%, 89%에 대한 편차발생은 피로 시험 데이터의 분산과 유의수준 5%에서 가속성 성립 판단 시 모수통계량의 차이에 의해서 발생된 것으로 판단된다. 그러나 피로수명은 다양한 변수들의 영향을 받으므로 피로데이터에 대한 면밀한 검토 후 유의수준 5%에서 추정된 관계식에 적용하여 예측하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.
4와 같이 용접 토우(weld toe)와 열 영향부 경계에서 발생함을 알 수 있다. 또한, 실제 피로시험결과 이 부분에서 응력집중과 용접 잔류응력의 조합으로 파단이 일어남을 확인할 수 있었다.
용접비드 중심에서 +520 MPa(인장), 열영향부(HAZ)에서 +230 MPa(인장), 용접비드 중심에서 9mm 떨어진 곳에서 -210 MPa(압축)의 분포를 보였다. 수치해석결과 용접비드와 HAZ부에서 높은 인장응력이 발생하였으며, 용접비드의 중심에서 멀리 떨어진 위치에서 압축응력이 발생하였다. 이것은 용접구조물 제작과정에서 용접에 의해 발생하는 용접잔류응력은 모재의 항복강도이상의 크기를 가지는 것으로 평가된다.
5)은 89%로 분석되었다. 최대인장하중의 20%에서 전체용접 이음재의 10%가 파괴되는 시점(B10)의 수명 백분위수는 ST(1.5)+ST(1.5)의 경우 평균수명 230,358 cycles, 신뢰구간은 (206,658~256,777) cycles이며, ST(1.5)+HT(1.5)는 평균수명 184,829 cycles, 신뢰구간은 (147,545~231,533) cycles로 분석되었고, ST(1.5)+DLT(1.5)의 경우는 평균수명 113,002 cycles, 신뢰구간은 (98,938~129,067) cycles로 분석되었다.
5)은 91%로 분석되었다. 최대인장하중의 20%에서, B10 수명의 백분위수는, ST(1.5)+ST(1.5)의 경우 평균수명 135,909 cycles, 신뢰구간은 (111,958~164,983) cycles로 분석되었고, ST(1.5)+ HT(1.5)는 평균수명 32,827 cycles, 신뢰구간은 (25,725~41,889) cycles로 분석되었다. 그리고 ST(1.
플러그 및 링 타입 가스용접 이음재 피로수명 예측치의 정확도가 평균 85%, 89%에 대한 편차발생은 피로 시험 데이터의 분산과 유의수준 5%에서 가속성 성립 판단 시 모수통계량의 차이에 의해서 발생된 것으로 판단된다. 그러나 피로수명은 다양한 변수들의 영향을 받으므로 피로데이터에 대한 면밀한 검토 후 유의수준 5%에서 추정된 관계식에 적용하여 예측하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.
본 연구에서는 Table 5는 A-D 분석 값, Table 6은 고장유형을 나타낸 것이다. 플러그 용접의 ST(1.5)+ST(1.5) 결합시편은 대수정규분포 또는 와이블 분포가 적합분포로 분석되었으며, 플러그용접의 ST(1.5)+HT(1.5), ST(1.5)+DLT(1.5)과 링 용접시편은 와이블(Weibull) 분포가 적합분포로 분석되었다. 고장률은 모두 IFR로 분석되었다.
피로한도기준을 정하는 무한수명을 10⁷ cycles이라고가정했을 때, 신뢰수준 95%에서 ST(1.5)+ST(1.5) 시편이 파괴되지 않을 확률은 90%, ST(1.5)+HT(1.5)은 92%, ST(1.5)+DLT(1.5)은 89%로 분석되었다. 최대인장하중의 20%에서 전체용접 이음재의 10%가 파괴되는 시점(B10)의 수명 백분위수는 ST(1.
피로한도기준을 정하는 무한수명을 10⁷ cycles이라고가정했을 때, 신뢰수준 95%에서 ST(1.5)+ST(1.5)시편이 파단하지 않을 확률은 89%, ST(1.5)+HT(1.5)은 86%, ST(1.5)+DLT(1.5)은 91%로 분석되었다. 최대인장하중의 20%에서, B10 수명의 백분위수는, ST(1.

후속연구

3) 피로강도 데이터를 (⊿σa)R-Nf 관계로 나타낼 때 확률론적 통계 해석방법인 가속수명예측기법을 적용하면, 고 하중 단 수명 영역에서 특정 목표수명을 예측할 수 있는 피로설계기준을 설정하는데 보다 효과적인 설계가 가능할 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	철도차량 차체의 용접 구조물의 용접부에 대한 신뢰성 확보는 어떤 영향을 미치는가?	철도차량 차체의 용접 구조물의 용접부에 대한 신뢰성 확보는 구조물의 건전성과 내구성에 직접적인 영향을 미치므로, 용접구조물 설계 시에는 이러한 조건들을 만족시킬 수 있도록 설계되어야 할 것이다. 철도차량과 자동차와 같은 박판용접 구조물의 설계에 있어서는 무엇보다도 용접과정에서 발생하는 금속학적, 역학적 현상 외에도 용접 이음부의 기하학적 인자들이 피로강도에 미치는 영향에 대한 정보를 확보하는 것이 매우 중요하고 필요하다.
	설계기준을 결정하는데 필요한 피로데이터(fatigue data) 도출과정에서 가속수명 예측기법을 이용한 피로 데이터와 가속수명예측 데이터와의 관계를 비교분석한 결과는?	1) 가속수명예측을 위한 통계적 최적분포는 플러그 용접 이음재 ST(1.5)+ST(1.5)에서 와이블 분포 또는 대수정규분포, 플러그용접의 ST(1.5)+HT(1.5), ST(1.5)+DLT(1.5)와 링 용접은 와이블 분포로 분석되었으며, 실제 피로시험데이터를 기준으로 가속수명예측의 수명 신뢰도의 정확도는 플러그용접이 평균 85%, 링 용접이 평균 89% 분석이 되었다. 2) 와이블 분포함수의 형상모수와 대수정규분포함수의 척도모수에 의한 적합분포모델은 비슷한 분포함수로 평가되었으나, 가속식의 형상모수 값과 척도모수 값은 예측수명을 좌우하는 중요한 파라메타 값이므로, 가속성 검증 시 모집단의 산포에 따른 기울기 편차의 가속성 성립 판단은 신중히 고려해야 할 필요가 있다. 3) 피로강도 데이터를 (⊿σa)R-Nf 관계로 나타낼 때 확률론적 통계 해석방법인 가속수명예측기법을 적용하면, 고 하중 단 수명 영역에서 특정 목표수명을 예측할 수 있는 피로설계기준을 설정하는데 보다 효과적인 설계가 가능할 것으로 기대된다.
	박판용접 구조물의 설계에 있어 용접과정에서 어떤 정보를 파악하는 것이 중요한가?	철도차량 차체의 용접 구조물의 용접부에 대한 신뢰성 확보는 구조물의 건전성과 내구성에 직접적인 영향을 미치므로, 용접구조물 설계 시에는 이러한 조건들을 만족시킬 수 있도록 설계되어야 할 것이다. 철도차량과 자동차와 같은 박판용접 구조물의 설계에 있어서는 무엇보다도 용접과정에서 발생하는 금속학적, 역학적 현상 외에도 용접 이음부의 기하학적 인자들이 피로강도에 미치는 영향에 대한 정보를 확보하는 것이 매우 중요하고 필요하다. 그래서 가스용접 이음재의 피로강도 및 피로수명평가와 피로설계기준을 정하기 위해서는 피로시험을 수행하여 얻어진 ∆P-Nf 관계를 이용하는 것이 일반적이다1-4).

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상세보기
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Bae, D. S., Jeon, Y. R. : Reliability analysis Arche, 1999, 373-459

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].

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