[논문]조선 해양 구조물용 강재의 소성 및 파단 특성 II: 파단의 이론적 배경

정준모; 심천식; 김경수

doi:10.5574/ksoe.2011.25.2.092

조선 해양 구조물용 강재의 소성 및 파단 특성 II: 파단의 이론적 배경
Plasticity and Fracture Behaviors of Marine Structural Steel, Part II: Theoretical Backgrounds of Fracture 원문보기

韓國海洋工學會誌 = Journal of ocean engineering and technology, v.25 no.2 = no.99, 2011년, pp.92 - 100

정준모 (인하대학교 조선해양공학과) , 심천식 (국립목포대학교 조선공학과) , 김경수 (인하대학교 조선해양공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The main goal of this paper is to provide the theoretical background for the fracture phenomena in marine structural steels. In this paper, various fracture criteria are theoretically investigated: shear failure criteria with constant failure strain and stress triaxiality-dependent failure strain (piecewise failure and Johnson-Cook criteria), forming limit curve failure criterion, micromechanical porosity failure criterion, and continuum damage mechanics failure criterion. It is obvious that stress triaxiality is a very important index to determine the failure phenomenon for ductile materials. Assuming a piecewise failure strain curve as a function of stress triaxiality, the numerical results coincide well with the test results for smooth and notched specimens, where low and high stress triaxialities are observed. Therefore, it is proved that a failure criterion with reliable material constants presents a plastic deformation process, as well as fracture initiation and evolution.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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

문제 정의

본 논문에서는 Abaqus/Explicit를 이용하여 평활재 및 노치재 환봉형 시편의 수치 해석을 수행하였다. 축대칭 해석을 위하여 노치부 부근은 매우 작은 요소(0.
최근 북극의 항로 개척에 따라 쇄빙선 또는 내빙선의 빙충돌 사고 위험이 점점 커지고 있으며, 해양 플랜트의 폭발 사고 등도 종종 보고되고 있음을 감안할 때, 재료의 파단을 예측하는 기술은 구조물의 구조 설계를 위한 요소 기술임이 분명하다. 본 논문에서는 이러한 맥락에서 조선 해양 구조물용 강재에 적용하거나 적용이 가능한 파단 조건 또는 파단 모델의 이론적 배경에 대하여 설명하였다. 전단 파단 조건의 경우 구조물에 발생한 소성 변형률이 파단 변형률을 초과할 때 파단이 발생하는 것으로 간주하며, 조선 해양 산업계에서는 거의 상수형 전단 파단 조건을 적용하고 있다.
본 논문에서는 조선 해양 분야의 파단 예측 기술을 정립하기 위해서 다양한 항복 포텐셜과 그에 따른 파단 조건에 대한 이론적 배경을 설명하고, 실제 적용 사례를 제시하여, 설계 실무에 적용하기 위한 활용 방안을 제시하고자 한다.
이러한 해양 플랜트 방호 구조 또는 선체 구조의 역할은 사고 한계 상태에서 방호 구조가 비교적 큰 소성 변형을 일으키더라도 주요 구조 부재 또는 프로세스 모듈에 손상을 최소화하여 본래의 생산 활동을 영위하기 위한 것이다. 사고 한계 상태에서 이러한 방호 구조가 경험하는 변형의 특징은 부재가 국부적 또는 전역적 소성을 경험하며, 비교적 빠른 변형을 경험하며, 일부 부재는 파단(Failure 또는 Fracture)에 이를 수 있다는 것이다.

가설 설정

성형 한계 선도(FLD, Forming limit diagram) 파단 조건에서는 이축 응력을 받는 박판에 발생한 주축(Major principal axis)에 관한 소성 변형률(ε1)이 성형 한계 곡선(FLC, Forming limit curve)에서 제시된 파단 변형률을 초과할 때 파단 또는 손상이 발생한다고 가정한다(식 (11) 참조).

제안 방법

실험 결과와의 직접 비교가 용이하도록 모델의 범위를 신률계가 부착되는 지점까지로 한정하였다. Fig. 4에 보인 바와 같이 시편의 길이 방향 중심선(적색 점선)을 따라 수평 방향(x 방향) 변위를 구속하였으며, 지름 방향 중심선(청색 점선)을 따라 시편 길이 방향(y 방향) 변위를 구속하였다. 축대칭 해석이기 때문에 나머지 자유도에 대한 구속은 필요하지 않았다.
이러한 점에서 기공률 파단 모델은 연속체 손상 역학 파단 조건과 매우 유사하였다. 그 외에 성형 가공 파단 조건은 박판의 성형시 판의 찢김 여부를 예측하는데 주로 사용되지만, 본 논문에서는 일반적인 파단 모델로서의 적용성을 검토하였다.
2에서 공칭 응력(Engineering stress)은 신율계를 이용하여 얻은 하중과 신장량으로부터 산정하였다. 또한 평활재에서 얻은 공칭 응력 곡선을 균일 진응력 곡선으로 변환 후 소성 변형률 경화 지수와 강도 계수를 도출하여 균일 진응력의 최대점 이후를 예측한 평균 진응력 곡선을 동시에 나타내었다. 수치 해석을 위한 재료 물성치로서 평균 진응력 곡선을 이용하였다.
축대칭 해석이기 때문에 나머지 자유도에 대한 구속은 필요하지 않았다. 모델의 상단 절 점에 균일한 강제 변위를 부여하여 하중을 구현하였다. 사용한 요소는 감차 적분 축대칭 요소(CAX4R)이었다.
본 연구에서는 EH-36강으로 제작된 평활재 및 노치재(노치반지름= 0.5mm) 환봉형 인장 실험 결과를 바탕으로 기존의 참고 문헌에서 얻을 수 있는 파단 조건 재료 상수를 적용하여 수치 해석을 수행하였다. Fig.
평활재의 경우 네킹 발생 이후 요소가 심하게 변형(Distortion)하면서 해석의 정도(Accuracy)가 저하되어 실험 곡선을 해석 결과가 정확히 추종하지 못하고 있다. 이러한 문제는 요소 크기를 작게 분할할 경우 해결이 가능하지만, 해석 시간이 매우 많이 소요되는 관계로 본 논문에서는 상세 분할을 실시하지 않았다. 따라서 수치 해석에서 파단을 정의하지 않았다면, 평활재 또는 노치재의 실험 곡선과 수치 해석 곡선은 거의 일치한다고 볼 수 있다.
(2007)과 Choung(2009a)는 다양한 조선 해양 구조물용 강재에 대한 재료 시험과 수치 해석을 통하여 이들 강재의 소성 특성 및 파단 특성을 통계적으로 제시한 바 있다. 즉 재료의 항복 함수로서, von Mises 모델, 연속체 손상 모델 및 기공률 소성 모델(Porous plasticity model)을 이용하였고, 이에 상응하는 파단 조건으로서 등가 소성 변형률, 손상도 및 기공률을 각각 적용하여 기공률 소성 모델이 조선 해양 구조물용 강재의 소성 발전과 파단 예측에 적합하다고 제시하였다. Choung and Cho(2008)와 Choung(2009b)는 판재의 인장 실험과 천공 실험 그리고 이에 대한 수치 해석을 통하여 기공률 소성 모델이 구조물의 파단을 비교적 정확히 예측할 수 있음을 증명하기도 하였다.
본 논문에서는 Abaqus/Explicit를 이용하여 평활재 및 노치재 환봉형 시편의 수치 해석을 수행하였다. 축대칭 해석을 위하여 노치부 부근은 매우 작은 요소(0.1mm)로 분할하였으며 평행부는 천이 구간을 거쳐 비교적 큰 요소 크기를 적용하였다. 실험 결과와의 직접 비교가 용이하도록 모델의 범위를 신률계가 부착되는 지점까지로 한정하였다.

대상 데이터

모델의 상단 절 점에 균일한 강제 변위를 부여하여 하중을 구현하였다. 사용한 요소는 감차 적분 축대칭 요소(CAX4R)이었다.
또한 평활재에서 얻은 공칭 응력 곡선을 균일 진응력 곡선으로 변환 후 소성 변형률 경화 지수와 강도 계수를 도출하여 균일 진응력의 최대점 이후를 예측한 평균 진응력 곡선을 동시에 나타내었다. 수치 해석을 위한 재료 물성치로서 평균 진응력 곡선을 이용하였다. Fig.

이론/모형

따라서 본 논문에서는 Törnqvist(2003)가 제시한 JohnsonCook 재료 상수(d1 = 0.28, d2 = 4.40, d3 = 2.26)를 Fig. 3에 나타내었으며, 이를 이상화하여 다점형 데이터(Piecewise data, 청색 점선)로 동시에 나타내었다.
3(b)에 보인 곡선은 식 (13)을 이용하여 추정한 FLC를 나타내며, FLD 파단 조건을 수치해석에 적용하였다. 마지막으로 Choung(2009b)이 제시한 기공률 파단 조건 재료 상수를 적용하여 수치 해석을 수행하였다(Table 1 참조). 연속체 손상 역학 파단 조건의 경우 적절한 재료 상수를 얻기가 어려워 수치 해석에서 제외하였다.

성능/효과

노치재와 평활재는 같은 원판(Base plate)에서 가공된 시편이며, 최소 반지름은 두가지 시편이 같다. 그러나 노치재에서 하중 지지 능력(Load carrying capacity)과 연신률은 각각 현저히 증가하고 감소하는 양상을 보였다. 이러한 현상은 마치 연성 재료가 취성화된 경우에 많이 발생하는데, 이의 원인은 노치재에서 3축 응력 상태의 심화가 축강도를 증가시키고, 빠른 파단을 유발하기 때문이다.
전단 파단 조건의 경우 구조물에 발생한 소성 변형률이 파단 변형률을 초과할 때 파단이 발생하는 것으로 간주하며, 조선 해양 산업계에서는 거의 상수형 전단 파단 조건을 적용하고 있다. 그러나 전단 파단을 응력 삼축비의 함수로 표현 할 수 있는 다점형 전단 파단 또는 Johnson-Cook 전단 파단을 이용할 경우 실제 파단 현상을 비교적 정확하게 예측할 수 있음을 증명하였다.
또한 본 논문에서는 환봉형 평활재 및 노치재의 인장 시편의 실험 결과와 여러 파단 조건을 이용하여 수치 해석을 수행하였으며, 실제 현상과 거의 유사한 파단 기구를 재현할 수 있음을 증명하였다.
구조물 내부에서 발생한 응력장이 파단을 결정하는 주요 요인으로 작용하기 때문에, 파단은 응력 삼축비의 함수로 표현되어야만 한다. 본 논문에서는 다 점형 파단 변형률이 가장 정확한 조건이었지만, 이는 파단 조건 선택의 문제보다는 재료 상수의 선택의 문제임을 주지할 필요가 있다. 조선 해양 구조물용 강재에 가장 적절한 파단 모델을 선정하는 것도 중요하지만, 이에 대한 재료 상수를 정량적으로 도출할 필요가 있다.
이상의 수치 해석 결과와 실험 결과의 비교로부터 알 수 있는 사실은 동일한 재료로 만들어진 구조물이라도 파단 변형률은 상수로 취급될 수 없다는 사실이다. 구조물 내부에서 발생한 응력장이 파단을 결정하는 주요 요인으로 작용하기 때문에, 파단은 응력 삼축비의 함수로 표현되어야만 한다.
파단이 발생하는 시점을 비교하여 보면, 파단 변형률을 상수로 정의(εf = 0.28)하는 경우 파단 평활재의 경우에서도 조기 파단을 예측하지만, 노치재의 경우 너무나 급격한 파단을 보이고 있음을 확인할 수 있다.

후속연구

본 연구에서 적용한 파단 조건 및 재료 상수는 참고 문헌을 인용하였기 때문에, 본 연구에서 적용한 재료(EH-36)에 적절하지 않을 수도 있다. 이러한 파단 조건을 현업 또는 연구에 적용하기 위해서는, 사용하고자 하는 재료에 대한 다양한 응력 삼축비 영역에 대한 파단 실험을 실시하여 그 재료에 적절한 재료 상수를 도출해야만 한다. 예를 들어 응력 삼축비가 0이 되기 위한 순수 전단 하중 실험부터, 노치의 첨도가 매우 큰 인장 시편 실험까지 실험이 실시될 필요가 있다.
이러한 현상은 마치 연성 재료가 취성화된 경우에 많이 발생하는데, 이의 원인은 노치재에서 3축 응력 상태의 심화가 축강도를 증가시키고, 빠른 파단을 유발하기 때문이다. 이에 대한 자세한 현상은 본 논문의 후속 논문에서 자세하게 기술될 것이다.
조선 해양 구조물용 강재에 있어서, 파단 모델의 장점과 한계 점을 인식하고 파단 모델의 선택도 중요하지만, 선택한 파단 모델에서 사용하는 재료 상수를 확보하는 것이 보다 중요하다. 후속 논문에서는 조선 해양 구조물용 강재를 대상으로 실험적 연구를 통하여 소성 변형률 경화 법칙과 변형률 경화 법칙의 재료 상수를 제시하고자 하며, 또한 광범위한 실험적 연구를 통하여 조선 해양 구조물용 강재에 적용이 가능한 파단 모델의 재료 상수를 제시하고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	선급 강재 또는 API(American petroleum institute) 강재는 무엇인가?	선급 강재 또는 API(American petroleum institute) 강재는 선박 또는 FPSO와 같은 해양 구조물에 집중적으로 사용되는 재료이다. 이러한 강재는 모두 연성 재료(Ductile material)로 분류되며 이러한 연성 재료의 항복부터 파단까지의 소성 변형 프로세스는 미시적 관점에서 미소 기공의 생성(Void nucleation or initiation), 성장(Void growth), 병합(Void coalescence)의 3단계로 이루어진다.
	선박의 충돌이나 좌초, 해양 플랜트 상부 구조의 폭발과 같은 사고 한계 상태(ALS, Accidental limit state)를 설계에 모두 반영하는 것은 현실적으로 불가한 이유는?	반면 선박의 충돌이나 좌초, 해양 플랜트 상부 구조의 폭발과 같은 사고 한계 상태(ALS, Accidental limit state)를 설계에 모두 반영하는 것은 현실적으로 불가능한 일이다. 사고 한계 상태를 설계에 고려한다면, 구조물의 중량이 너무 과도해져 부유체로서의 역할을 수행하기 어렵기 때문이고, 생산비의 과도한 증가를 초래하기 때문이다. 이러한 이유로 해양 플랜트의 경우 수동적인 방호 구조인 방폭벽(Blasr wall), 충돌 보호대(Collision protector) 등의 설치를 선주 사양서에 반드시 포함하고 있다.
	선급 강재 또는 API(American petroleum institute) 강재는 무엇으로 분류되는가?	선급 강재 또는 API(American petroleum institute) 강재는 선박 또는 FPSO와 같은 해양 구조물에 집중적으로 사용되는 재료이다. 이러한 강재는 모두 연성 재료(Ductile material)로 분류되며 이러한 연성 재료의 항복부터 파단까지의 소성 변형 프로세스는 미시적 관점에서 미소 기공의 생성(Void nucleation or initiation), 성장(Void growth), 병합(Void coalescence)의 3단계로 이루어진다. 연성 재료에서 미소 기공의 생성은 매트릭스(Matrix)라 불리는 강의 주재료에 혼입된 개재물(Inclusions) 또는 2차상 입자(2nd phase particles)가 매트릭스로부터 분리되는 현상을 의미한다(Fig.

참고문헌 (20)

AbuBakar, A. and Dow, R.S. (2010). "Simulation of Grounding Damage using the Finite Element Method", Proceedings of 5th International Conference on Collision and Grounding of Ships (ICCGS 2010), pp 208-216.
Bonora, N. (1997). "A Nonlinear CDM Model for Ductile Failure", Engineering Fracture Mechanics, Vol 58, pp 11-28.

상세보기
Bressan, J.D. and Williams, J.A. (1983). "The Use of a Shear Instability Criterion to Predict Local Necking in Sheet Metal Deformation", International Journal of Mechanical Sciences, Vol 25, pp 155-168.

상세보기
Choung, J., Shim, C.S. and Kim, K.S. (2011). "Plasticity and Fracture Behaviors of a Marine Structural Steel, Part I: Theoretical Backgrounds of Strain Hardening and Rate Hardening", Journal of Ocean Engineering and Technology (to be published).
Choung, J. (2009a). "Comparative Studies of Fracture Models for Marine Structural Steels", Ocean Engineering, Vol 36, pp 1164-1174.

상세보기
Choung, J. (2009b). "Micromechanical Damage Modeling and Simulation of Punch Test", Ocean Engineering, Vol 36, pp 1158-1163.

상세보기
Choung, J. and Cho, S.R. (2008). "Study on True Stress Correction from Tensile Tests", Journal of Mechanical Science and Technology, Vol 22, pp 1039-1051.

원문보기 상세보기
Choung, J., Cho, S.R. and Yoon, K.Y. (2007). "On Comparative Studies of Fracture Models for Shipbuilding and Offshore Structural Steels", Proceedings of 4th International Conference on Collision and Grounding of Ships (ICCGS 2007), pp 177-185.
Gurson, A. (1977). "Continuum Theory of Ductile Rupture by Void Nucleation and Growth: Part 1 -Yield Criteria and Flow Rules for Porous Ductile Media", ASME J. Eng. Mat. and Tech., Vol 99, pp 2-15.

상세보기
Health and Safety Executive (2001). Offshore Technology Report OTO 2001/020-Elevated Temperature and High Strain Rate Properties of Offshore Steels.
Jie, M., Cheng, C.H., Chan, L.C. and Chow, C.L. (2009). "Forming Limit Diagrams of Strain-rate-dependent Sheet Metals", International Journal of Mechanical Sciences, Vol 51, No 4, pp 269-275.

상세보기
Johnson, G.R. and Cook, W.H. (1985). "Fracture Characteristics of Three Metals Subjected to Various Strain, Strain Rates Temperatures and Pressures", Engineering Fracture Mechanics, Vol 21, No 1, pp 31-48.

상세보기
Lehmann, E. and Yu, X. (1998). "On Ductile Rupture Criteria for Structural Tear in the Case of Ship Collision and Grounding", Proceedings of the 7th International Symposium on Practical Design of Ships and Mobile Units, pp 141-147.
Lemaitre, J. (1992). A Course on Damage Mechanics. Springer-Velac.
Nemat-Nasser, S. and Guo, W.G. (2003). "Thermomechanical Response of DH-36 Structural Steel over a Wide Range of Strain Rates and Temperature", Mech. Mat., Vol 35, pp 1023-1047.

상세보기
Tornqvist, R. (2003). Design of Crashworthy Ship Structures. Technical University of Denmark, Ph.D Thesis.
Tvergaard, V. (1981). "Influence of Voids on Shear Band Instabilities under Plane Strain Condition", Int. J. Fract. Mech., Vol 17, pp 389-407.

상세보기
Tvergaard, V. and Needleman, A. (1984). "Analysis of the Cup-Cone Fracture in a Round Tensile Bar", Acta Metallurgica, Vol 32, pp 157-169.

상세보기
Urban, J. (2003). Crushing and Fracture of Lightweight Structures. Technical University of Denmark, Ph.D Thesis.
Zhu, L. and Atkins, A.G. (1998). "Failure Criteria for Ship Collision and Grounding", Proceedings of the 7th International Symposium on Practical Design of Ships and Mobile Units, pp 141-147.

저자의 다른 논문 :

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