[논문]피로 균열 진전에 따른 응력확대계수 측정에 관한 연구

오동진; 김명현

doi:10.5781/kwjs.2012.30.6.566

피로 균열 진전에 따른 응력확대계수 측정에 관한 연구
A Study on the Measurement of Stress Intensity Factors for the Fatigue Crack Propagation 원문보기

大韓溶接·接合學會誌 = Journal of the Korean Welding and Joining Society, v.30 no.6, 2012년, pp.80 - 85

오동진 (부산대학교 공과대학 조선해양공학과) , 김명현 (부산대학교 공과대학 조선해양공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Fatigue cracks in structural components are the most common cause of structural failure when exposed to fatigue loading. In this respect, fatigue crack detection and structural health assessment are very important. Currently, various smart materials are used for detecting fatigue crack and measurement of SIFs(Stress Intensity Factors). So, this paper presented a measurement of SIFs using MFC(Micro Fiber Composite) sensor which is the one of the smart material. MFC sensor is more flexible, durable and reliable than other smart materials. The SIFs of Mode I(K I) as well as Mode II(K II) based on the piezoelectric constitutive law and fracture mechanics are calculated. In this study, the SIF values measured by MFC sensors are compared with the theoretical results.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 MFC 센서의 구조 및 응력 측정 방법 및 부착 방법에 대해서 연구하였으며 MFC 센서가 가지는 특성들을 파악 하였다. 또한, 중첩법(Principle of superposition)을 적용하여 30°, 45°, 60° 기울어진 균열의 형상에 따른 응력확대계수 측정 기법에 대하여 연구를 수행하였다.

제안 방법

4, 5와 같이 CCT 시험편을 제작 하여 피로 시험을 수행하였다. 균열을 유도하기 위해 시험편 중앙부에 40mm의 노치를 삽입한 후, 노치의 기울기를 0, 30, 45, 60도로 하여 시험편을 제작하였다. 피로 시험에 사용된 장비는 Fig.
또한, 중첩법(Principle of superposition)을 적용하여 30°, 45°, 60° 기울어진 균열의 형상에 따른 응력확대계수 측정 기법에 대하여 연구를 수행하였다.
이에 본 논문에서는 균열 선단에 조합하중을 작용시키기 위해 균열의 형상과 위치를 고려하여 CCT (Center Crack Tension) 시험편을 제작한 후, 피로시험을 수행하였다. 또한, 피로 균열 진전 시험 결과데이터를 바탕으로 하여 실험적 방법을 통해 응력확대계수를 측정한 후, 이를 선형 탄성 파괴 역학 이론에 근거한 응력확대계수와 비교, 고찰하였다.
본 논문에서는 Fig. 4, 5와 같이 CCT 시험편을 제작 하여 피로 시험을 수행하였다. 균열을 유도하기 위해 시험편 중앙부에 40mm의 노치를 삽입한 후, 노치의 기울기를 0, 30, 45, 60도로 하여 시험편을 제작하였다.
7에 나타난 바와 같이 시험편에 부착 하였다. 시험 과정 중 균열은 점차적으로 진전하게 되는데 균열진전 길이는 디지털 확대경을 통하여 관찰 및 측정 하였고, 출력 전압은 디지털 오실로스코프를 사용하여 측정하였다.
이에 따라, 구조물이 두 가지 이상의 조합 하중을 받게 될 때에 응력확대계수를 측정하는 기법에 관한 연구는 구조물의 파괴 특성 파악에 중요한 요소임을 알 수 있다. 이에 본 논문에서는 균열 선단에 조합하중을 작용시키기 위해 균열의 형상과 위치를 고려하여 CCT (Center Crack Tension) 시험편을 제작한 후, 피로시험을 수행하였다. 또한, 피로 균열 진전 시험 결과데이터를 바탕으로 하여 실험적 방법을 통해 응력확대계수를 측정한 후, 이를 선형 탄성 파괴 역학 이론에 근거한 응력확대계수와 비교, 고찰하였다.
그러나 기존의 압전 센서는 저온 환경에서는 취성 파괴에 취약하며, 유연성이 없어 해양구조물에 흔히 쓰이는 강관 구조물에 부착 할 수 없다는 단점이 있다. 이에, 본 논문에서는 Fig. 2와 같은 구조를 가지는 MFC (Micro Composite Sensor)센서를 사용하여 응력확대계수를 측정하였다.
피로 시험에 사용된 장비는 Fig. 6와 같은 ±20ton의 최대 용량을 가지는 축 인장/압축 유압 피로 시험기를 사용 하였고, 피로 하중의 파형은 정현파, 응력비 R=0.1 그리고 주파수 3Hz의 조건에서 시험을 수행하였다.

후속연구

이는, 균열이 진전함에 따라 MFC 센서에 영향을 끼치는 유효 면적이 줄어들어 출력 전압이 낮게 측정 되는 것임을 알 수 있다. 이러한 특성을 적용한다면 실제 구조물에 센서를 부착 시, 출력 전압값이 낮게 출력 되는 현상을 관찰 하여 균열 진전의 정도를 판단할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	응력확대계수는 어떻게 정의할 수 있는가?	알려진 바와 같이, 선형 탄성 파괴 역학 이론에 기반한 평가 변수인 응력확대계수는 피로 균열 진전과 구조물의 수명 예측기법 연구에서 중요한 부분을 차지한다. 응력확대계수는 피로 균열의 형상과 길이, 작용 하중을 통해 정의할 수 있다. 이때, 작용 하중의 방향에 따라 균열이 받을 수 있는 하중의 형태는 Fig.
	기존의 압전 센서가 갖고 있는 단점은?	Fujimoto는 스마트 센서인 압전센서(PZT(Pb(Zr,Ti)O3))를 이용하여 실험적 방법을 통한 응력확대계수 측정이 가능하다는 것을 보여주었다3). 그러나 기존의 압전 센서는 저온 환경에서는 취성 파괴에 취약하며, 유연성이 없어 해양구조물에 흔히 쓰이는 강관 구조물에 부착 할 수 없다는 단점이 있다. 이에, 본 논문에서는 Fig.
	선박 및 해양구조물의 정적, 동적 하중을 고려한 피로 균열 감지 기법에 관한 연구가 활발히 진행되고 있는 이유는?	최근 선박 및 해양 구조물의 대형화로 인해 사용 재료는 점차 고강도화 되었으며, 이에 따라 발생하는 피로 균열(fatigue crack)에 의한 피로 파괴의 위험성이 대두되고 있다. 특히 근해의 자원 고갈로 인해 극지방에서 운용되는 해양구조물과 같은 경우, 피로 균열의 발생은 취성 파괴를 유발하는 요인이 되고 있다1). 또한, 선박과 해양구조물의 파괴에 의한 대형 인명피해와 환경 오염을 방지하기 위해서 피로 균열 진전에 대한 구조물의 안전성 평가 기법에 관한 연구는 필수적임을 알 수 있다. 이러한 이유로, 선박 및 해양구조물의 정적, 동적 하중을 고려한 피로 균열 감지 기법에 관한 연구가 진행되고 있으며 스마트 센서를 이용한 피로 균열 감지 및 구조물 안전성 평가 시스템 개발을 위한 기초 연구도 활발히 이뤄지고 있다.

참고문헌 (6)

M.H. Kim, B. Butrym, and D.J. Inman: Fatigue life Estimation of structural components using MFC sensors, An International Journal for Experimental Mechanics, 2010
Fujimoto, Y: Piezoelectric sensor for stress intensity factor measurement of two dimensional cracks, Engineering Fracture Mechanics, 70(2003), 1203-1218

상세보기
Fujimoto, Y: Stress Intensity Factor Measurement of Cracks Using a Piezoelectric Element, Society for Experimental Mechanics, 44(2004), 320-325

상세보기
D.J. Oh, M.H Kim: A study of Stress Intensity Factors using Micro Fiber Composite Sensors, Journal of KWJS 29-3 (2011), 56-61 (in Korean)
T.L Anderson: Fracture mechanics, CRC press
Y.Murakami: Stress intensity factors handbook, The Japan Society of Materials Science, Pergamon press

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