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내부 결함을 고려한 주조 제품의 피로수명 예측을 위한 결함 형상단순화 해석모델
Shape-Simplification Analysis Model for Fatigue Life Prediction of Casting Products Considering Internal Defects 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.35 no.10, 2011년, pp.1243 - 1248  

곽시영 (한국생산기술연구원 사이버설계센터(과학기술연합대학원대학교 가상공학과)) ,  김학구 (한국생산기술연구원 사이버설계센터(과학기술연합대학원대학교 가상공학과))

초록
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내부결함은 주조제품의 강도 및 피로 수명에 있어 상당한 영향을 미치기 때문에 주조공정에서 주요 관심사 이다. 일반적으로 내부결함은 응력집중을 발생시키며 균열의 시작점이 되므로 피로 수명과 같은 기계적 거동에 있어 수축공과 같은 결함을 이해하는 것이 중요하다. 본 논문에서는 내부결함을 고려한 인장시편에 대해 피로시험을 수행하고 주조결함을 고려할 때의 특정하중피로노치 계수를 산정하였다. 실제 내부결함은 산업용 CT 장비를 통해서 확인하였으며 확인된 결함은 형상단순화법에 의해 타원체로 단순화 하고 응력해석과 피로해석을 수행하였다. 그 결과 우리가 제안한 방법이 기계적 거동에 있어 내부결함의 영향을 조사하고 피로수명 등을 예측함에 있어 유용함을 확인할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

Internal defects are a major concern in the casting process because they have a significant influence on the strength and fatigue life of casting products. In general, they cause stress concentration and can be a starting point of cracks. Therefore, it is important to understand the effects of inter...

주제어

#피로수명   #내부결함   #주조공정   #유한요소법   #형상단순화법   #직접형상법  

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

문제 정의

  • 그러므로 본 논문에서는 내부 결함을 고려하여 피로 해석을 수행하는 방법을 제안하였다. 제안된 방법을 사용한다면 내부 결함이 피로 수명에 미치는 영향을 고려하여 피로수명을 예측할 수 있기 때문에 보다 정확하고 효율적인 설계가 가능할 것으로 예상된다.
  • 본 논문에서는 CT(Computed Tomography)를 활용하여 제품 내부의 결함을 분석 하였고, 이를 구조 해석과 연계하여 피로해석을 수행하는 방법에 대하여 연구하였다. 해석에는 상용 구조해석 프로그램인 ANSYS 12.

가설 설정

  • 일반적으로 피로해석을 수행할 때에는 해석대상에 대해 단품 및 조립 품의 구조 해석을 수행하고 여기서 얻은 응력 결과나 변형 결과 등을 이용하여 제품의 피로수명을 평가한다. 이 때 해석을 수행하는 공학자들은 해석 모델에 결함이 없다는 가정 하에 피로수명을 계산한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
피로해석을 수행할 때 일반적인 방법은 무엇인가? 또한 내구성에 대한 관심이 증가하면서 응력 등의 구조해석 결과를 이용하여 피로하중에 대한 안전성을 평가하는 피로해석 전용 프로그램(Fe-Safe, Fe-Fatigue 등)들이 개발되어 사용되고 있다. 일반적으로 피로해석을 수행할 때에는 해석대상에 대해 단품 및 조립 품의 구조 해석을 수행하고 여기서 얻은 응력 결과나 변형 결과 등을 이용하여 제품의 피로수명을 평가한다. 이 때 해석을 수행하는 공학자들은 해석 모델에 결함이 없다는 가정 하에 피로수명을 계산한다.
Computed Tomography를 활용하여 제품 내부의 결함를 분석하고 피로해석을 수행하는 방법에 대해 연구한 결과는? (1) 내부결함이 존재하는 알루미늄 A356 합금의 인장 시편에 대하여 피로시험을 수행하고 특정하중피로노치 계수 Kσf 를 구하였다. 내부결함이 존재하는 시편의 피로수명은 166,483 cycle ~529,821 cycle 정도로 저하되는 것을 확인할 수 있었고 Kσf는 1.13~1.34 의 분포를 보였다. (2) 공업용 CT 를 이용하여 시편에 존재하는 내부결함 형상데이터를 추출하였고 STL 형식의 3D CAD 모델을 생성하였다. 그리고 SSM 을 통해 생성된 결함 형상 데이터를 타원체 등으로 단순화하여 구조 및 피로해석을 수행하였다. (3) SSM 방법으로 내부결함을 고려했을 때의 피로 수명은 약 210,000 cycle 로 시험결과의 범위에는 포함되나 각 시험 시편의 피로시험결과와 1:1로 피로수명을 정량적으로 예측하는 것은 시편 각각의 결함 형상, 위치, 형상단순화 정도, 재료피로 물성 등의 요소를 고려한 연구가 필요하다. (4) 정량적인 정확성의 한계에도 불구하고 본 논문에서 제안한 결함의 형상단순화법에 의한 구조 및 피로해석 기법은 피로 거동에 있어 내부결함의 영향을 조사하고 피로수명 등을 예측함에 있어 유용함을 확인할 수 있었다.
응력-수명(S-N) 피로수명 평가 이론은 무엇을 위해 사용된 방법인가? 응력-수명(S-N) 피로수명 평가 이론은 금속의 피로를 이해하고 정량화하기 위하여 사용된 최초의 방법이다. 피로 수명이 높은 경우(High cycle application) 에서의 재료의 거동을 나타내며 재료 파괴 시까지의 반복수 N 에 대한 교번반복응력 S의 관계로 이루어진다.
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참고문헌 (8)

  1. Lee, S. W., Kim, H. K., Hwang, H. Y. and Kwak, S. Y., 2010, "Modeling for the Fatigue Analysis of Al Alloy Casting Containing Internal Shrinkage Defect," Journal of the Korea Foundry Society, Vol.30, No.5, pp. 196-200. 

  2. Sigl, K. M., Hardin, R. A., Stephens, I. and Beckermann, C., 2004, "Fatifue of 8630 Cast Steel in the Presence of Porosity," International Journal of Cast Metals Research, Vol. 17, No. 3, pp.130-146. 

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  3. Kim, M. G. and Kim, J. H., 1999, "Imfluence of Artificial Defect on Fatigue Limit in Austempered Ductile Iron," Korea Society of Mechanical Engineers , A, Vol. 23, No. 11, pp. 1922-1928. 

  4. Murakami, 2002, Metal Fatigue; Effects of Small Defects and Nonmetallic Inclusions, Elsevier, pp.25-37 

  5. Wang, Q. G., Apelian, D. and Lados, D. A., 2001, "Fatigue Behavior of 356-T6 Aluminum Cast Alloys. Part I. Effect of Casting Defects," J. Light. Met., Vol.1, pp. 73-84. 

    상세보기 crossref

  6. Ammar, H. R., Samuel, A. M. and Samuel, F. H., 2008, "Effect of Casting Imperfections on the Fatigue Life of 319-F and 356-T6 Al-Si Casting Alloys," Mater. Sci. Res. Eng., Vol. 413, No.1-2, pp.65-75. 

  7. Kwak, S. Y., Lim, C. H. and Beak, J. W., 2009, "Contribution Analysis Using Shape Simplification Method for Casting Structure Shrinkage," KSME-A Vol. 33, No. 8, pp.807-812 

    원문보기 상세보기 crossref

  8. The Society of Materials Science, 1996, Databook On Fatigue Strength of Metallic Materials, Vol.2, pp.1703-1710. 

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