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문제 정의
- 여기에서는 본 연구의 등가하중법을 평 블록(panel block)의 조립과정에 따른 변형 예측에 적용한 예를 보이고자 한다. Fig.
제안 방법
- 고유변형률에 기초한 등가하중법인 본 연구 방법의 적용에 있어서 신뢰성을 확보하기 위해서는 고유변형률과 그 영역을 계산하기 위한 2차원 열탄소성 해석법의 타당성이 우선 검증되어야 하며 사용한 열속 모델의 타당성 검증도 포함된다. 이를 위해 평판의 맞대기 용접에 대해 실험을 수행한 결과15)를 2차원 열탄소성 해석 결과와 비교하였다.
- 모델의 크기는 길이×폭×두께가 L × B × h= 1000×1000× 12mm이고 곡률이 1/R=0, ±0.0005, ±0.001로서 다섯 모델에 대해 등가하중법에 의한 변형해석을 수행하였고 그 결과를 상세한 3차원 열탄소성 해석 결과와의 비교를 통해 곡판에의 적용성을 검증하였다.
- 본 연구에서는 2차원 열탄소성 해석과정에서 구한 고유변형률 분포로부터 등가의 수축력과 모멘트를 구하고 이를 대상 구조물에 외력으로 작용시켜서 탄성해석을 수행하는 등가하중법을 이용하여 판 부재들의 용접변형을 예측하였다. 여기에서의 해석 대상 은 평판의 맞대기 용접, 용접선 방향으로 곡률이 있는 곡판의 비드 용접이다.
- 선박의 선수 및 선미부 등에서 볼 수 있는 곡면의 조립에는 용접하는 방향으로 곡률이 있어서 평판과는 다른 변형 특성을 보이고 있으며, 곡률의 영향으로 그 변형 현상이 더 복잡해진다. 여기에서는 본 연구의 방법을 곡판의 용접변형 예측에 적용해 봄으로서 용접선 방향으로 곡률의 영향을 살펴보았다.
- 주어진 해석 대상 구조물에 대해 2차원 열탄소성 해석을 수행하여 고유변형률과 그 영역이 정의된다. 열 탄소성 해석을 통해 구한 고유변형률을 이용하여 2.3절에서 기술하는 수식들로 부터 등가 절점력으로서 용접선 및 이에 수직 방향인 종 및 횡 방향으로의 수축력과 모멘트를 구하고 이를 외력으로 작용시키는 탄성해석을 통해 용접변형량, 즉 횡수축과 횡굽힘변형 그리고 종수축과 종굽힘변형량을 구한다.
- 용접속도, 열효율, 단위 길이 당 입열량 등 용접조건은 Table 2와 같다. 오목한 면에 용접하는 경우에 대한 유한요소 모델링을 Fig. 14에 예시 하였고, 평판의 경우와 마찬가지로 하중과 경계조건의 대칭성을 이용하여 1/2 모델에 대해 해석을 수행하였다.
- 이를 위해 평판의 맞대기 용접에 대해 실험을 수행한 결과15)를 2차원 열탄소성 해석 결과와 비교하였다. 온도 계측을 위해 지름 0.5 mm인 K 형 열전대를 사용하였고, 잔류응력은 Strain gage를 이용하여 계측한 것이다. 용접조건은 Table 1과 같다.
- 이 논문에서는 고유변형률법에 기초한 등가하중법을 개발하여 판 부재들의 용접변형 예측에 적용하였다. 평판의 맞대기 용접과 용접선 방향으로의 곡률이 있는 곡 판에 적용하여 그 결과를 실험 및 상세한 열탄소성 해석 결과와 비교함으로써 그 타당성을 검증하였다.
- 전술한 바와 같이 고유변형률에 의한 등가하중 (equivalent load)을 구하기 위해서는 고유변형률과 그 영역을 결정하기 위해 열탄소성 해석을 먼저 수행한다. 앞서 언급한 바와 같이 본 연구에서는 해석의 신속성을 위해 2차원 열탄소성 해석을 하였는데, 이 경우 용접의 시작점부터 끝 점까지 경험하는 열 싸이클이 동일하고 따라서 용접선 어느 위치에서나 작용하는 등가 하중이 동일하다.
- 여기에서의 해석 대상 은 평판의 맞대기 용접, 용접선 방향으로 곡률이 있는 곡판의 비드 용접이다. 특히, 곡률의 크기와 부호를 변화시켜서 수행한 곡판의 비드 용접해석 결과를 통해 용접선 방향으로의 곡률이 용접변형에 주는 영향을 분석하였다. 또한 본 연구의 등가하중법을 선박의 평 블록 모델에 적용하는 결과를 예시함으로써 실제 구조물의 조립과정에서 발생하는 변형 예측에의 적용 가능성을 보였다.
- 평판의 맞대기 용접과 용접선 방향으로의 곡률이 있는 곡 판에 적용하여 그 결과를 실험 및 상세한 열탄소성 해석 결과와 비교함으로써 그 타당성을 검증하였다. 특히, 곡판에 대한 적용 결과를 토대로 용접선 방향으로의 곡률이 용접변형에 미치는 영향을 분석하였다. 본 연구 결과에 의하면 제안하는 등가하중법이 실험 및 상세한 열탄소성 해석과 비교해서 좋은 일치를 보여 주고 있어서 그 타당성이 검증되었다고 말할 수 있다.
대상 데이터
- 모델의 크기는 L × B × h= 600× 300 mm × 25mm 이다.
- 본 연구에서 대상 모델의 재료는 연강이며, 재료의 열전도계수, 비열과 밀도 등 물리적 특성치 그리고 선 팽창계수, 항복응력과 탄성계수 등 재료적 특성치의 온도 의존 특성은 각각 Fig. 4와 5에 보인 모델을 사용하였다8).
- 본 연구에서는 2차원 열탄소성 해석과정에서 구한 고유변형률 분포로부터 등가의 수축력과 모멘트를 구하고 이를 대상 구조물에 외력으로 작용시켜서 탄성해석을 수행하는 등가하중법을 이용하여 판 부재들의 용접변형을 예측하였다. 여기에서의 해석 대상 은 평판의 맞대기 용접, 용접선 방향으로 곡률이 있는 곡판의 비드 용접이다. 특히, 곡률의 크기와 부호를 변화시켜서 수행한 곡판의 비드 용접해석 결과를 통해 용접선 방향으로의 곡률이 용접변형에 주는 영향을 분석하였다.
- 종 보강재와 횡 거더의 간격은 각각 SL = 700mm, ST = 3000mm 이다. 예시를 목적으로 모든 보강재의 두께는 편의상 판의 두께와 같게 하였고, 종보강재, 종 거더 및 횡 거더의 높이는 각각 400, 800 및 800mm이다. 보강재가 판에 좌우 필릿 용접으로 접합 되는 것을 1회 용접으로 간주할 때, 용접선의 총 길이는 84,600mm이다.
데이터처리
- 고유변형률에 기초한 등가하중법인 본 연구 방법의 적용에 있어서 신뢰성을 확보하기 위해서는 고유변형률과 그 영역을 계산하기 위한 2차원 열탄소성 해석법의 타당성이 우선 검증되어야 하며 사용한 열속 모델의 타당성 검증도 포함된다. 이를 위해 평판의 맞대기 용접에 대해 실험을 수행한 결과15)를 2차원 열탄소성 해석 결과와 비교하였다. 온도 계측을 위해 지름 0.
- 이 논문에서는 고유변형률법에 기초한 등가하중법을 개발하여 판 부재들의 용접변형 예측에 적용하였다. 평판의 맞대기 용접과 용접선 방향으로의 곡률이 있는 곡 판에 적용하여 그 결과를 실험 및 상세한 열탄소성 해석 결과와 비교함으로써 그 타당성을 검증하였다. 특히, 곡판에 대한 적용 결과를 토대로 용접선 방향으로의 곡률이 용접변형에 미치는 영향을 분석하였다.
이론/모형
- 최근, 대한용접․접합학회의 용접강도연구회에서 수행한 Round Robin 연구결과에 의하면 열속의 모델링 자체 보다는 입열량이 결국 열변형 결과에 영향을 주는 것으로 보고되었다13). 그러나 2.3절에서 기술하고 있는 등가하중을 보다 정확히 계산하기 위해서는 열전달 해석 결과의 정확성 확보가 필요할 것이므로, 본 연구에서는 열속의 분포를 더 정확히 표현할 수 있는 것으로 알려진 Goldak 등14)의 이중타원체 모델(double ellipsoid model)을 이용하였다. Fig.
- 8과 같다. 열전달 해석과 고유변형률을 구하는 데에 본 연구에서는 상용 패키지인 ANSYS 9.0을 사용하였다. 맞대기 용접의 홈 형상은 X-groove 이고, 따라서 전면 용접 후 뒤집어서 이면을 용접한다.
- 이동열원에 의한 온도의 분포를 구하기 위해 열전달 해석을 수행할 때, 열원의 모델링이 온도 분포에 영향을 줄 수 있다. 이동 열원의 열속(heat flux)은 Gaussian 분포 열속이나 표면 또는 체적 열속으로 모델링하여 해석한다3-6). 최근, 대한용접․접합학회의 용접강도연구회에서 수행한 Round Robin 연구결과에 의하면 열속의 모델링 자체 보다는 입열량이 결국 열변형 결과에 영향을 주는 것으로 보고되었다13).
성능/효과
- 본 연구 결과에 의하면 제안하는 등가하중법이 실험 및 상세한 열탄소성 해석과 비교해서 좋은 일치를 보여 주고 있어서 그 타당성이 검증되었다고 말할 수 있다. 곡판에의 적용 결과를 보면 곡률이 굽힘변형 뿐만 아니라 수축변형에도 영향을 주는 것을 뚜렷이 볼 수 있었다. 따라서 보다 많은 모델에 대한 적용을 통해 곡률의 영향을 보다 상세히 분석할 필요가 있다.
- ‘3D Ana’와’Present‘는 각각 3차원 열탄소성 해석과 본 연구방법의 결과이다. 등가하중법에 의한 결과( 로 표시된 것)가 열탄소성 해석 결과( 로 표시된 것) 보다 크게 나타났고, 이는 용접의 시작과 끝 부근에서 두드러 짐을 볼 수 있는데 이는 본 연구에서 용접선의 시작과 끝 부분에서 발생하는 단부효과(edge effect)를 고려하지 않았기 때문으로 분석된다.
- 또 하나의 적용 예로서 선박이나 해양구조물에서 볼 수 있는 평 블록 모델에 본 연구 방법을 적용한 예를 통해 실제 구조물에 충분히 적용성이 있음을 보였다. 향후 실제 블록에의 적용 예와 그 결과를 현장에서의 실측 자료와의 비교 및 분석결과를 토대로 본 연구 방법을 실용적으로 적용이 가능하도록 보완하고 것이 필요할 것이다.
- 특히, 곡률의 크기와 부호를 변화시켜서 수행한 곡판의 비드 용접해석 결과를 통해 용접선 방향으로의 곡률이 용접변형에 주는 영향을 분석하였다. 또한 본 연구의 등가하중법을 선박의 평 블록 모델에 적용하는 결과를 예시함으로써 실제 구조물의 조립과정에서 발생하는 변형 예측에의 적용 가능성을 보였다.
- 특히, 곡판에 대한 적용 결과를 토대로 용접선 방향으로의 곡률이 용접변형에 미치는 영향을 분석하였다. 본 연구 결과에 의하면 제안하는 등가하중법이 실험 및 상세한 열탄소성 해석과 비교해서 좋은 일치를 보여 주고 있어서 그 타당성이 검증되었다고 말할 수 있다. 곡판에의 적용 결과를 보면 곡률이 굽힘변형 뿐만 아니라 수축변형에도 영향을 주는 것을 뚜렷이 볼 수 있었다.
- 이와 같은 블록 조립에의 실용적 적용 가능성에 대해서는 현장에서의 실측 자료와의 비교를 통해 검증되어야 할 것이다. 본 평 블록의 예는 그 정확성 여부를 떠나 용접 길이가 84,600mm 인 경우에 대해서는 현대와 같은 컴퓨터 하드웨어 환경에서도 3차원 열탄소성 해석이 현실적으로 거의 불가능하지만, 본 연구의 등가하중법을 적용하면 시현이 가능하다는 것을 예시하는 것이다.
후속연구
- 21와 같다. 이와 같은 블록 조립에의 실용적 적용 가능성에 대해서는 현장에서의 실측 자료와의 비교를 통해 검증되어야 할 것이다. 본 평 블록의 예는 그 정확성 여부를 떠나 용접 길이가 84,600mm 인 경우에 대해서는 현대와 같은 컴퓨터 하드웨어 환경에서도 3차원 열탄소성 해석이 현실적으로 거의 불가능하지만, 본 연구의 등가하중법을 적용하면 시현이 가능하다는 것을 예시하는 것이다.
- 또 하나의 적용 예로서 선박이나 해양구조물에서 볼 수 있는 평 블록 모델에 본 연구 방법을 적용한 예를 통해 실제 구조물에 충분히 적용성이 있음을 보였다. 향후 실제 블록에의 적용 예와 그 결과를 현장에서의 실측 자료와의 비교 및 분석결과를 토대로 본 연구 방법을 실용적으로 적용이 가능하도록 보완하고 것이 필요할 것이다.
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