[논문]유한요소 손상 해석을 이용한 다중 관통균열 인장시편의 연성 파괴 시뮬레이션

전준영; 김낙현; 오창식; 김윤재

doi:10.3795/ksme-a.2012.36.3.245

유한요소 손상 해석을 이용한 다중 관통균열 인장시편의 연성 파괴 시뮬레이션
Ductile Failure Simulation of Tensile Plates with Multiple Through-Wall Cracks Based on Damage Mechanics 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.36 no.3, 2012년, pp.245 - 252

전준영 (고려대학교 기계공학부) , 김낙현 (고려대학교 기계공학부) , 오창식 (고려대학교 기계공학부) , 김윤재 (고려대학교 기계공학부)

초록
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본 연구는 간단한 수치해석적 방법을 통해 연성재료의 파괴를 예측하는 방법을 소개하였다. 응력에 의해 계산된 파괴 변형률을 통해 손상을 계산하는 과정을 다중 관통균열이 있는 평판 인장시험편의 유한요소 해석을 통해 구현하였다. 이 기법은 ABAQUS 에서 제공하는 user-defined subroutine 을 이용하여 구현되었다. 제시된 기법을 적용하여 다중균열 해석을 수행하였고 이 결과를 일본 연구자에 의해 수행된 실험 결과와 비교하였다. 해석결과와 실험결과가 비교적 잘 일치함을 확인하였고 이를 통해 제시된 기법의 타당성을 검증할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposes a simple numerical method, based on the stress-modified fracture strain-damage model with the stress-reduction technique, for predicting the failure behaviors of ductile plates with multiple through-wall cracks. This technique is implemented using the user-defined subroutines provided in ABAQUS. For validation, the results simulated using the proposed method are compared with published experimental data of Japanese researchers.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 간단한 수치 해석적 방법을 통해 관통 다중 균열이 있는 평판 인장시험편의 균열 거동을 예측해 보았다. 이 방법은 손상 누적의 개념을 기반으로 하는 유한요소 해석법이다.
본 연구에서는 발전소 내부에서 부식에 의해 발생할 수 있는 다중 균열 구조물에 대한 평가를 위해 손상 누적 기법을 적용한 유한요소 해석을 제시하였다. 손상 누적 기법을 적용하여 다중 균열 해석을 하기 위해, 일본 연구자들에 의해 수행된 다중균열 평판 시험결과를 선택하였다.
본 연구에서는 손상 누적 기법 적용을 위한 파괴 변형률 기준을 세 가지로 생각해보았다. 실험에서 쓰인 시편 형상 중 몇 가지를 선정한 후, 세대안식들을 적용하여 유한요소 해석을 수행하였다.

제안 방법

9v 을 사용하였다. 3 차원 8 절점 적분 1 차 요소(C3D8)를 사용하였으며 대변형 해석을 수행하였다. 두께 방향으로 대칭 조건이 성립하므로 해석 시간 단축을 위해 1/2 모델을 사용하였다.
5.1 절에서 정해진 파괴 변형률 기준을 적용하여 실험에서 수행된 31 가지 균열 시편 형상에 대한 유한요소 해석을 수행하였다. 실험과 유한요소 해석에 의한 하중-하중선 변위선도를 Fig.
3 에 나타내었다. 관통 균열의 개수 및 균열 위치에 따라 크게 4 가지로 분류할 수 있으며 총 31 가지 형상에 대해 수행되었다. 이를 Fig.
실험에서 쓰인 시편 형상 중 몇 가지를 선정한 후, 세대안식들을 적용하여 유한요소 해석을 수행하였다. 그리고 이 결과들 중 실험과 가장 잘 맞는 결과에 대한 식을 JIS SM400A 에 대한 파괴 변형률 기준으로 선정하게 되었다.
이 방법은 손상 누적의 개념을 기반으로 하는 유한요소 해석법이다. 몇 가지 다중 균열 형상에 대한 실험 결과와 유한요소 해석 결과를 비교함으로써 제시된 방법의 타당성을 검토하였다.
세 가지 파괴 변형률을 사용하여 손상해석을 수행한 후 결과를 비교하여 가장 타당한 기준식을 선정하였다.
본 연구에서는 발전소 내부에서 부식에 의해 발생할 수 있는 다중 균열 구조물에 대한 평가를 위해 손상 누적 기법을 적용한 유한요소 해석을 제시하였다. 손상 누적 기법을 적용하여 다중 균열 해석을 하기 위해, 일본 연구자들에 의해 수행된 다중균열 평판 시험결과를 선택하였다. 시험편 재료에 대한 세 가지 파괴 변형률 기준식을 세울 수 있었으며, 표본 형상에 대한 해석과 결과를 통해 파괴 변형률 기준(1)이 가장 타당함을 알 수 있었다.
본 연구에서는 손상 누적 기법 적용을 위한 파괴 변형률 기준을 세 가지로 생각해보았다. 실험에서 쓰인 시편 형상 중 몇 가지를 선정한 후, 세대안식들을 적용하여 유한요소 해석을 수행하였다. 그리고 이 결과들 중 실험과 가장 잘 맞는 결과에 대한 식을 JIS SM400A 에 대한 파괴 변형률 기준으로 선정하게 되었다.
첫 번째 파괴 변형률 기준은 인장 시편 삼축응력의 이론적 계산에 의해 선정하였다. 인장 시편 삼축 응력의 이론적 계산 과정은 다음과 같다.
시험편 재료에 대한 세 가지 파괴 변형률 기준식을 세울 수 있었으며, 표본 형상에 대한 해석과 결과를 통해 파괴 변형률 기준(1)이 가장 타당함을 알 수 있었다. 파괴 변형률 기준(1)을 적용하여 총 31 개 형상에 대한 해석을 수행하였다. 간단화된 수치해석적 모사기법임에도 다중 균열 시편의 최대 하중값을 잘 예측하고 있음을 확인할 수 있었다.

대상 데이터

손상 누적 기법을 적용하기 위해 일본 연구자들에 의해 수행되어진 실험 결과를 선택하였다.⁽⁵⁾ 이 실험은 관통 균열이 두 개 이상 있는 평판에 대한 인장 실험 결과이다.
⁽⁵⁾ 이 실험은 관통 균열이 두 개 이상 있는 평판에 대한 인장 실험 결과이다. 평판 재료는 JIS SM400A 이다. 시편 두께는 5.

이론/모형

대안식들은 Rice 와 Tracey 가 제시한 exponential 함수를 기반으로 선정하였다.⁽⁴⁾
손상 누적 기법은 stress-modified fracture strain model 을 기반으로 한다. 여기서 ‘손상(∆ω)’ 이란 파괴 변형률에 대한 소성 변형률의 증분이다.
5 mm 로 균일하다. 손상누적 기법 적용을 위해 ABAQUS 에서 제공하는 User-Subroutine UHARD Option 을 사용하였다.⁽⁶⁾
유한요소 해석을 위해 ABAQUS 6.9v 을 사용하였다. 3 차원 8 절점 적분 1 차 요소(C3D8)를 사용하였으며 대변형 해석을 수행하였다.

성능/효과

파괴 변형률 기준(1)을 적용하여 총 31 개 형상에 대한 해석을 수행하였다. 간단화된 수치해석적 모사기법임에도 다중 균열 시편의 최대 하중값을 잘 예측하고 있음을 확인할 수 있었다. 실험에 의한 최대 하중값에 대한 유한요소 해석에 의한 최대 하중값의 오차율은 최대 8% 이며 대부분의 형상에 대해 다소 보수적이거나 유사한 하중값 예측을 하고 있음을 확인할 수 있었다.
기준 (1)에 의한 결과를 보면 경향성은 실험과 다소 차이가 있으나 최대 하중값을 비교해보았을 때 실험과 비슷하거나 보수적인 예측을 하고 있음을 알 수 있다. 따라서 기준 (1)을 JIS SM400A 의 파괴 변형률 기준으로 선정하는 것이 적합하다는 결론을 내릴 수 있다.
9 는 모든 경우에 대해 실험에 의한 최대 하중값-해석에 의한 최대 하중값 그래프를 나타내고 있다. 시편의 최대 하중 예측에 있어 손상 누적 기법에 의한 해석 결과가 실험 결과와 전반적으로 잘 일치하고 있으며, 대부분의 경우에 대해 보수적인 예측을 하고 있음을 알 수 있다. Fig.
손상 누적 기법을 적용하여 다중 균열 해석을 하기 위해, 일본 연구자들에 의해 수행된 다중균열 평판 시험결과를 선택하였다. 시험편 재료에 대한 세 가지 파괴 변형률 기준식을 세울 수 있었으며, 표본 형상에 대한 해석과 결과를 통해 파괴 변형률 기준(1)이 가장 타당함을 알 수 있었다. 파괴 변형률 기준(1)을 적용하여 총 31 개 형상에 대한 해석을 수행하였다.
간단화된 수치해석적 모사기법임에도 다중 균열 시편의 최대 하중값을 잘 예측하고 있음을 확인할 수 있었다. 실험에 의한 최대 하중값에 대한 유한요소 해석에 의한 최대 하중값의 오차율은 최대 8% 이며 대부분의 형상에 대해 다소 보수적이거나 유사한 하중값 예측을 하고 있음을 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	연성 파괴의 과정은 어떻게 나눌 수 있는가?	연성 파괴의 과정은 크게 나누어 공극의 생성, 성장, 합체로 설명할 수 있다. 초기 재료의 불순물 혹은 게재물 등으로부터 공극은 생성 되어진다.
	다중 균열이란 무엇인가?	발전소 내부의 여러 형태의 하중을 받는 구조물들의 평가에 있어서 응력 부식에 의해 생성된 균열은 중요한 관심 대상이다. 이러한 균열 중에는 한 개가 아닌 여러 개가 생성되어 서로 상호 작용을 하며 성장해 가는 경우가 있는데 이를 다중 균열이라 한다.
	연속체 역학적 개념에 기반하여 다중 균열이 있는 연성 재료의 한계 하중을 예측하는 방법의 한계점은 무엇인가?	연속체 역학적 개념에 기반하여, 다중 균열이 있는 연성 재료의 한계 하중을 예측하는 방법이 있다. 그러나 이러한 방법으로는 균열의 성장과 합체를 모사할 수 없기 때문에 실제에 비해 높은 하중값, 즉 비보수적인 예측을 하게 된다. 근접한 두 균열 사이의 리가먼트(ligament)에 대한 국부적 응력-변형률을 기반으로 하여 균열 거동을 평가하는 방법도 있다.

참고문헌 (11)

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Hasegawa, K., Miyazaki, K., Personal Communication.
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Moon, S.I., Chang, Y.S., Kim, Y.J., Lee, J.H., Park, Y.W. and Song, M.H., 2007, "Determination of Failure Pressure for Thbes with Two Non-Aligned Axial Through-Wall Cracks," International journal of Fracture, Vol. 144, pp. 91-101.

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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].

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