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문제 정의
- 각 용접연결부 시편은 모두 두께가 10mm인 구조용 강판을 사용하여 제작하였다. 용접작업 환경에 따라서 용접 비드부의 형상이 국부적으로 다르게 생성되었으므로, 비드의 형상에 의한 다축응력의 차이가 피로수명에 미치는 영향을 고찰하고자 하였다. 시편의 용접은 FCAW(Flux core arc welding)로 수행하였으며 비드는 1회 용접으로 생성하였다.
가설 설정
- 편의상 특정 사이클 수 NA에서 대한 S-N곡선상의 전단응력범위 ΔτA 를 참조전단응력 범위로 하고, ΔτA와 ρw, k와 ρw의 관계를 식 (2), (3)과 같이 ρw를 변수로 하는 간단한 선형 함수의 형태로 가정한다.
- 여기서, k와 ΔτA는 각각 S-N곡선의 역기울기와 참조전단응력범위를 나타내며, 이에 대한 참조 사이클 수, NA를 본 연구에서는 2×106 cycles로 가정하였다.
제안 방법
- 다축응력 상태에 대한 피로 강도해석법인 수정 S-N 곡선법 역시 선형응력해석 결과를 이용하는 후처리 기법의 하나로 균열 발생의 초기 거동이 최대 전단응력이 작용하는 임계 평면에서 발생한다는 가정에 근거하고 있다 (Brown and Miller, 1973). 또한 수정 S-N곡선법은 공칭응력법, 핫스팟 응력법, 임계 거리법 등과 결합되어 적용될 수 있는 잇점을 지니고 있으며, 이 방법들을 사용한 용접 연결부의 피로 강도 추정에 대한 기존의 연구에서는 이상화 된 비드부를 사용하였다. 하지만 피로 균열이 발생하는 실제 용접연결부에서 비드의 크기나 형상, 곡률반경 등은 용접 토우선을 따라 불규칙하게 변하므로 앞서 언급된 방법들의 응용은 한계가 있다.
- 본 연구에서는 용접연결부의 실제 국부 형상에 의한 응력의 다축성을 고려한 피로강도를 해석하기 위해 수정 S-N 곡선법을 도입하고 이를 3가지 용접 연결부에 적용하였다. 이전 연구(Yang and Song, 2011)에서의 용접 연결 모델과 추가로 십자형 용접연결 모델의 시편을 제작하여 피로시험을 수행하였으며, 각각의 시편에 대하여 실제 용접비드형상을 고려하는 3차원 용접비드모델링과 이를 고려한 국부응력해석을 수행하였다.
- 본 연구에서는 용접연결부의 실제 국부 형상에 의한 응력의 다축성을 고려한 피로강도를 해석하기 위해 수정 S-N 곡선법을 도입하고 이를 3가지 용접 연결부에 적용하였다. 이전 연구(Yang and Song, 2011)에서의 용접 연결 모델과 추가로 십자형 용접연결 모델의 시편을 제작하여 피로시험을 수행하였으며, 각각의 시편에 대하여 실제 용접비드형상을 고려하는 3차원 용접비드모델링과 이를 고려한 국부응력해석을 수행하였다. 유한 요소해석 결과에 점응력법을 이용한 수정 S-N곡선법을 적용하여 피로수명을 계산하였다.
- 비드형상의 차이에 따른 응력비 ρw의 비교를 위해 먼저 이상화된 비드형상을 가진 모델에 대하여 유한요소 해석을 수행하였다.
- 용접작업 환경에 따라서 용접 비드부의 형상이 국부적으로 다르게 생성되었으므로, 비드의 형상에 의한 다축응력의 차이가 피로수명에 미치는 영향을 고찰하고자 하였다. 시편의 용접은 FCAW(Flux core arc welding)로 수행하였으며 비드는 1회 용접으로 생성하였다. 시편 재료에 대한 인장시험을 별도로 수행한 결과, 항복응력은 275MPa이고 인장강도는 388 MPa이었다.
- 하중속도 10~15Hz, 하중비 R=Pmin/Pmax=0으로 피로시험을 수행하였다. 여기서 Pmin와 Pmax 각각 변동하중의 최소값과 최대값이다.
- 여기서 Pmin와 Pmax 각각 변동하중의 최소값과 최대값이다. 각 시험모델에 대한 피로시험은 대부분 시편이 완전히 파단 될 때까지 수행하였고, 피로수명은 균열이 판 두께를 관통하여 판의 반대 면에서 균열길이가 5mm까지 성장된 시점으로 하였다.
- 용접부의 실제 형상을 고려하는 응력해석 모델링을 위하여 3-D 스캐너를 이용하여 용접비드부의 실제 형상을 얻은 후, 용접 비드부의 곡면 데이터를 생성하는 일련의 과정을 이용하였다(Yang and Park, 2009). 용접연결부 시편의 비드부에서 얻은 곡면 데이터로부터 솔리드 모델을 생성하고 3차원 유한요소를 사용한 해석모델을 생성하였다. 모델의 유한요소 분할정도는 토우부에서 임계거리만큼 떨어진 곳에서의 응력 토우부 근처에 위치한 요소의 크기는 임계거리 0.
- 용접연결부 시편의 비드부에서 얻은 곡면 데이터로부터 솔리드 모델을 생성하고 3차원 유한요소를 사용한 해석모델을 생성하였다. 모델의 유한요소 분할정도는 토우부에서 임계거리만큼 떨어진 곳에서의 응력 토우부 근처에 위치한 요소의 크기는 임계거리 0.5mm 보다작은 0.2mm로 생성하였고, 해석시간의 단축을 위해 비드부에서 멀어질수록 큰 크기의 요소를 사용하였다. Fig.
- 각 시편에 대한 피로수명의 추정은 먼저 피로시험 모델들의 유한요소해석 결과를 이용하여 비드 토우부 방향을 따라가면서 노치 각 이등분선에서 임계거리 떨어진 위치에서 응력으로부터 임계평면을 구한 후, 그에 대한 최대 전단응력의 크기와 응력비를 계산하였다. 최대전단응력을 가지는 위치에 서의 응력비로부터 식(4)와 (5)를 이용하여 S-N곡선의 k와 ΔτA를 구하고 식(6)을 사용하여 피로수명을 계산하였다.
- 본 연구에서는 수정 S-N 곡선법을 이용하여 3가지 용접 연결부에 대한 피로수명추정을 수행하였다. 실제 비드 형상의 차이가 피로 수명에 미치는 영향을 고찰하기 위하여 3차원 스캐너를 이용하여 비드의 형상데이터를 추출하고 유한요소 해석 모델을 생성하였다.
- 본 연구에서는 수정 S-N 곡선법을 이용하여 3가지 용접 연결부에 대한 피로수명추정을 수행하였다. 실제 비드 형상의 차이가 피로 수명에 미치는 영향을 고찰하기 위하여 3차원 스캐너를 이용하여 비드의 형상데이터를 추출하고 유한요소 해석 모델을 생성하였다. 유한요소 해석 결과의 피로 균열 발생 부위에 대한 응력장으로부터 수정 S-N곡선법을 적용하기 위한 피로해석 후 처리 프로그램을 개발하였다.
- 실제 비드 형상의 차이가 피로 수명에 미치는 영향을 고찰하기 위하여 3차원 스캐너를 이용하여 비드의 형상데이터를 추출하고 유한요소 해석 모델을 생성하였다. 유한요소 해석 결과의 피로 균열 발생 부위에 대한 응력장으로부터 수정 S-N곡선법을 적용하기 위한 피로해석 후 처리 프로그램을 개발하였다. 3가지 종류의 필렛 용접피로시험 시편 57개에 대해 유한요소해석 결과를 이용한 수정 S-N곡선법의 최대전단응력을 기준으로 한 피로수명은 공칭응력으로 나타낸 S-N곡선의 피로수명에 비해 산포폭이 48.
대상 데이터
- Fig. 3의 사진과 Fig. 4에서의 도면에서 보인 것과 같이 본 연구에서 고려한 피로시험모델의 종류는 3가지로 횡 보강판이 모재의 양면에 부착된 십자형 연결모델(CF 모델)과 종 보강판이 양끝단에 부착된 GF모델, 중앙에 부착된 LF 모델을 사용하였다. 시편의 수는 2개 계열의 십자형 용접실험모델을 각각 17개, GF 모델은 15개, 그리고 LF 모델은 17개를 제작하여 실험을 수행하였다.
- 4에서의 도면에서 보인 것과 같이 본 연구에서 고려한 피로시험모델의 종류는 3가지로 횡 보강판이 모재의 양면에 부착된 십자형 연결모델(CF 모델)과 종 보강판이 양끝단에 부착된 GF모델, 중앙에 부착된 LF 모델을 사용하였다. 시편의 수는 2개 계열의 십자형 용접실험모델을 각각 17개, GF 모델은 15개, 그리고 LF 모델은 17개를 제작하여 실험을 수행하였다.
- 각 용접연결부 시편은 모두 두께가 10mm인 구조용 강판을 사용하여 제작하였다. 용접작업 환경에 따라서 용접 비드부의 형상이 국부적으로 다르게 생성되었으므로, 비드의 형상에 의한 다축응력의 차이가 피로수명에 미치는 영향을 고찰하고자 하였다.
이론/모형
- 이전 연구(Yang and Song, 2011)에서의 용접 연결 모델과 추가로 십자형 용접연결 모델의 시편을 제작하여 피로시험을 수행하였으며, 각각의 시편에 대하여 실제 용접비드형상을 고려하는 3차원 용접비드모델링과 이를 고려한 국부응력해석을 수행하였다. 유한 요소해석 결과에 점응력법을 이용한 수정 S-N곡선법을 적용하여 피로수명을 계산하였다. 이를 피로시험 결과와 비교하여 실제 비드형상을 고려한 효과가 피로강도평가에 미치는 영향이 있음을 확인할 수 있었다.
- 의 비교를 위해 먼저 이상화된 비드형상을 가진 모델에 대하여 유한요소 해석을 수행하였다. 유한요소 모델링은 Patran 2008r1을 사용하고 유한요 소 해석은 MD NASTRAN R3를 Patran 2008r1 이용하여 수행 하였다. Fig.
- 용접부의 실제 형상을 고려하는 응력해석 모델링을 위하여 3-D 스캐너를 이용하여 용접비드부의 실제 형상을 얻은 후, 용접 비드부의 곡면 데이터를 생성하는 일련의 과정을 이용하였다(Yang and Park, 2009). 용접연결부 시편의 비드부에서 얻은 곡면 데이터로부터 솔리드 모델을 생성하고 3차원 유한요소를 사용한 해석모델을 생성하였다.
성능/효과
- 유한 요소해석 결과에 점응력법을 이용한 수정 S-N곡선법을 적용하여 피로수명을 계산하였다. 이를 피로시험 결과와 비교하여 실제 비드형상을 고려한 효과가 피로강도평가에 미치는 영향이 있음을 확인할 수 있었다.
- 시편의 용접은 FCAW(Flux core arc welding)로 수행하였으며 비드는 1회 용접으로 생성하였다. 시편 재료에 대한 인장시험을 별도로 수행한 결과, 항복응력은 275MPa이고 인장강도는 388 MPa이었다.
- 7를 살펴보면 실제 비드 형상을 고려한 시험 시편들의 응력비는 이상화된 비드가 가진 응력비와 실제 비드형상을 고려한 모델의 응력비와는 다른 값들을 가지는 것으로 나타나는데, 이는 당연한 결과로 시편의 부재가 2차원적인 배치로 인한 다축응력 뿐만 아니라 비드부의형상에서 기인한 다축응력의 영향을 받고 있는 것으로 해석될 수 있다. 응력비의 구체적인 값은 모든 시편에 대해서 이상화된 비드의 응력비 값보다 실제 비드의 경우가 낮은 값을 보이는 것으로 나타났다.
- Fig. 8에 나타낸 확률수준 95%의 산포폭을 살펴보면 수정S-N곡선법을 적용한 S-N곡선의 산포도가 Tσf 95% = 1.40로 공칭응력 S-N곡선의 산포도 Tσf 95% = 2.70에 비해 48.1% 정도 감소한 것으로 나타났다.
- 372로 가장 낮았다. 전체 피로수명 비의 평균은 1.45로 추정결과의 피로수명이 실험 결과보다 45% 큰 값을 보였다. Fig.
- 유한요소 해석 결과의 피로 균열 발생 부위에 대한 응력장으로부터 수정 S-N곡선법을 적용하기 위한 피로해석 후 처리 프로그램을 개발하였다. 3가지 종류의 필렛 용접피로시험 시편 57개에 대해 유한요소해석 결과를 이용한 수정 S-N곡선법의 최대전단응력을 기준으로 한 피로수명은 공칭응력으로 나타낸 S-N곡선의 피로수명에 비해 산포폭이 48.1% 감소하는 것으로 나타났다. 또한, 수정 S-N곡선법을 이용하여 추정된 피로수명도 대다수의 경우가 실험을 통한 피로수명과 95%신뢰구간 내에 위치하고 있는 결과를 얻어 본 연구의 방법이 용접구조물의 피로수명 예측에 적용할 수 있음을 확인하였다.
- 1% 감소하는 것으로 나타났다. 또한, 수정 S-N곡선법을 이용하여 추정된 피로수명도 대다수의 경우가 실험을 통한 피로수명과 95%신뢰구간 내에 위치하고 있는 결과를 얻어 본 연구의 방법이 용접구조물의 피로수명 예측에 적용할 수 있음을 확인하였다. 그러나 수정 S-N곡선법의 피로수명이 실험수명의 평균값 보다 전체적으로 45% 정도의 큰 값을 보여 향후 좀 더 다양한 시험모델에 위의 방법을 적용해 봄으로써, 용접 비드나 시편 자체의 기하학적 형상에 의하여 발생하는 다축응력의 영향을 반영하는 수정 S-N곡선법의 유효성을 밝히는 연구가 필요하다.
후속연구
- 또한, 수정 S-N곡선법을 이용하여 추정된 피로수명도 대다수의 경우가 실험을 통한 피로수명과 95%신뢰구간 내에 위치하고 있는 결과를 얻어 본 연구의 방법이 용접구조물의 피로수명 예측에 적용할 수 있음을 확인하였다. 그러나 수정 S-N곡선법의 피로수명이 실험수명의 평균값 보다 전체적으로 45% 정도의 큰 값을 보여 향후 좀 더 다양한 시험모델에 위의 방법을 적용해 봄으로써, 용접 비드나 시편 자체의 기하학적 형상에 의하여 발생하는 다축응력의 영향을 반영하는 수정 S-N곡선법의 유효성을 밝히는 연구가 필요하다. 또한 수정 S-N곡선에 사용한 파라미터들의 적합성 검토를 통해 피로 수명 예측의 정확도를 높이는 추가 연구를 필요하다고 판단된다.
- 그러나 수정 S-N곡선법의 피로수명이 실험수명의 평균값 보다 전체적으로 45% 정도의 큰 값을 보여 향후 좀 더 다양한 시험모델에 위의 방법을 적용해 봄으로써, 용접 비드나 시편 자체의 기하학적 형상에 의하여 발생하는 다축응력의 영향을 반영하는 수정 S-N곡선법의 유효성을 밝히는 연구가 필요하다. 또한 수정 S-N곡선에 사용한 파라미터들의 적합성 검토를 통해 피로 수명 예측의 정확도를 높이는 추가 연구를 필요하다고 판단된다.
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