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원주방향 관통균열을 갖는 원통형 쉘 구조의 패치보강 해석
Analysis of Patched Cylindrical Shells with Circumferential Through-Wall Cracks 원문보기

大韓土木學會論文集, Journal of the Korean Society of Civil Engineers. A. 구조공학, 원자력공학, 콘크리트공학, v.32 no.6A, 2012년, pp.411 - 418  

안재석 (영남대학교 건설시스템공학과) ,  김영욱 (영남대학교 건설시스템공학과) ,  우광성 (영남대학교 건설시스템공학과)

초록
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이 연구에서는 수치해석 실험을 통하여, 원주방향 관통균열을 갖는 원통형 쉘의 패치보강 전후의 거동에 대한 평가와 다양한 변수에 따른 패치보강 효과를 분석하였다. 해석 모델의 신뢰성을 높이기 위해, h-법p-법에 기초한 모델링, 두 가지 방법이 동시에 고려되었다. 또한 선형탄성파괴역학 개념에 기초하여 에너지 방출률을 산정하기 위해, 등가영역적분법 및 가상균열확장법이 고려되었다. 해석 예제로서, 먼저 연구에서 수행된 h-법 및 p-법 유한요소 모델을 검증하기 위해, 패치 보강전의 인장력을 받는 관통 균열이 있는 쉘 구조물이 해석되었으며, 해석 결과값들과 여러 참고문헌 값들이 비교되었다. 그리고 패치 보강된 원통형 쉘 시스템에서의 접착제 두께, 접착제 전단탄성계수, 패치 두께, 패치 재료, 균열 길이 등의 여러 설계 변수에 대한 민감도 해석이 수행되었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this study, behavior of unpatched and patched cylindrical shells with through-wall cracks has been estimated using numerical experiments, and patching effect of them has been investigated according to various patching parameters. To show credibility of numerical models considered, two ways such a...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 이러한 경향에 대해서 이미 패치보강 적층평판 문제의 경우에서도 확인 할 수 있었으며(Ting 등, 1999; Jones 등, 1999) 응력확대계수의 수렴값은 쉘과 패치, 접착제의 재료적, 기하적 성질에 따라서 값이 좌우 된다는 것을 알 수 있다. 따라서 접착제의 전단탄성계수, 접착제의 두께, 패치의 두께의 변화에 대해서 조사하였다. 그림 13은 boron/ epoxy 패치를 사용하였을 경우에 균열선단 근처에서의 von-Mises 응력분포를 나타내고 있다.
  • h-법의 경우 3차원 20절점 SOLID186 요소를 사용하였고, p-법의 경우 3차원 SOLID147요소(형상함수=3-8차)를 사용하였다. 또한, 복합재료의 패치를 사용할 경우 각 변수에 대하여 응력확대계수의 변화에 대해서 조사하였다. 그 결과는 다음과 같다.
  • 본 연구에서 원주방향으로 관통균열이 발생한 쉘 구조물에서 패치 보강효과에 대하여 조사하였다. 수치해석 해의 신뢰성을 위해 ANSYS에서 제공되는 h-법과 p-법을 동시에 해석하여 해의 신뢰성을 보였으며, 결과 ±1%오차 범위에 수렴하였다.
  • Sun 과 Tong은 1차 전단변형에 기초한 수정된 2차원 쉘 유한요소를 가지고서, 패치 보강된 곡면쉘의 파괴해석을 수행하였다(Sun 등, 2004a, 2004b; Tong 등, 2003a, 2003b, 2003c, 2003d). 이들 연구는 주로 패치 보강된 시스템에서의 균열 방향, 곡률, 비선형효과의 영향에 관해서 조사를 하였다.
  • 이번 연구에서는 3차원 유한요소에 기초한 수치해석 실험을 통하여, 패치 보강된 쉘 구조물의 거동에 대한 평가를 수행하였다. 먼저, 해석 모델의 검증을 위해서, 패치보강 전의 경우에는 현재 해석 모델 결과와 여러 참고문헌 결과를 비교 하였다.
  • 단순한 모델링의 장점을 살리기 위해, 방사선 형태의 요소망을 채택해야하는 등가영역 적분법을 사용하지 않고, 가상균열확장법을 사용하여 간단하게 에너지 방출률을 산정하도록 하였다. 현재 고려되는 예제의 목적은 수치해석 실험을 위한 모델의 적정성을 보이기 위한 것이다.
  • 그 대표적인 몇 가지 방법에 대해 열거해보면, 변위외삽법 (displacement extrapolation technique; Owen 등, 1983), 유한균열확장법(finite crack extension method; Owen 등, 1983; Doltsinis 등, 1985; Kruger 등, 1993) 또는 에너지 방출률법(energy release rate technique), 가상균열확장법(virtual crack extension technique, Parks, 1974; Hellen, 1975), 가상균열닫힘법(virtual crack closure technique; Rybicki 등, 1977), J-적분법(J-integral method; Rice, 1968), 그리고 등가영역적분법(domain integral method; Niskishkov, 1987) 등이 있다. 현재 연구에서는 쉘의 두께 방향으로 위치한 지점들의 평균 에너지 방출률 값을 기준으로 다양한 설계변수에 대한 평가를 수행하였다. 이와 같은 평균 에너지 방출률 값을 산정하기 위해, 등가영역적분법 및 가상균열확장법이 고려되었다.

가설 설정

  • 1. J-적분 값은 두께방향으로 값이 일정하지 않기 때문에 대표로 사용할 값에 대한 선택이 필요하다.
  • 한편, 패치와 접착부의 길이(lp, la)는 50 mm로 고정을 하였고, 폭은 θ=90º로 가정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
원통형 쉘 구조물로 이루어진 구조물은 무엇인가? 원통형 쉘 구조물은 토목 구조물뿐만 아니라, 기계, 항공, 원자력, 화학 산업 등에서 중요한 구조물 중의 하나이다. 실제로, 가스배관, 가스탱크, 송유관 등이 원통형 쉘 구조물로 이루어져 있다. 이와 같은 원통형 쉘 구조물은 미세한 균열로 인하여 치명적인 손상을 일으킬 가능성이 존재한다.
원통형 쉘 구조물은 어떠한 산업에서 중요한 구조물인가? 원통형 쉘 구조물은 토목 구조물뿐만 아니라, 기계, 항공, 원자력, 화학 산업 등에서 중요한 구조물 중의 하나이다. 실제로, 가스배관, 가스탱크, 송유관 등이 원통형 쉘 구조물로 이루어져 있다.
직선 원형파이프에서의 균열깊이에 따라 어떻게 구분할 수 있는가? 일반적으로, 직선 원형파이프에서의 균열 형태는 원주방향, 종방향, 그리고 경사방향으로의 균열이 있다. 또한, 균열깊이에 따라 부분균열과 관통균열로 분류할 수 있다. Sanders 등(1982), Zahoor(1985), 그리고 Kumar 등(1984)은 이와 같은 원통형 쉘 구조물의 균열 형태 및 균열 깊이에 관한 연구를 수행하였다.
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참고문헌 (39)

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