용접은 대형구조물을 제작할 때 영구적 접합을 위해서 많이 사용하는 공정이다. 용접부는 용융부, 부분용융부, 열영향부로 나누어지며 각각의 영역들은 다른 재료물성을 가지게 된다. 또한 용접부는 용접비드 형상에 따라 기계적 신뢰성이 많이 차이 난다. 따라서 정밀한 구조해석을 수행하기 위해서는 이러한 국부적인 용접부의 특성을 잘 고려해야 한다. 본 연구에서는 이러한 용접부의 효과적인 모델링 방법에 대하여 제안하고자 한다. 특히 하중을 받는 구조물에 잘 일어나는 세 가지 변형모드(인장모드, 굽힘모드, T-굽힘모드)에 대하여 용접부를 정밀하게 모델링하는 방법을 제안하였다. 대형구조물의 구조해석을 통하여 제안된 모델링 방법이 변형, 응력분포 등을 좀 더 정밀하게 묘사해 줌을 해석적으로 확인하였다.
용접은 대형구조물을 제작할 때 영구적 접합을 위해서 많이 사용하는 공정이다. 용접부는 용융부, 부분용융부, 열영향부로 나누어지며 각각의 영역들은 다른 재료물성을 가지게 된다. 또한 용접부는 용접비드 형상에 따라 기계적 신뢰성이 많이 차이 난다. 따라서 정밀한 구조해석을 수행하기 위해서는 이러한 국부적인 용접부의 특성을 잘 고려해야 한다. 본 연구에서는 이러한 용접부의 효과적인 모델링 방법에 대하여 제안하고자 한다. 특히 하중을 받는 구조물에 잘 일어나는 세 가지 변형모드(인장모드, 굽힘모드, T-굽힘모드)에 대하여 용접부를 정밀하게 모델링하는 방법을 제안하였다. 대형구조물의 구조해석을 통하여 제안된 모델링 방법이 변형, 응력분포 등을 좀 더 정밀하게 묘사해 줌을 해석적으로 확인하였다.
Welding is a well-developed, widely used process for permanently joining metal components. However, the mechanical reliability of welded parts still offers room for improvement. A weld region consists of a fusion zone, a partially melted zone, and a heat-affected zone, and each zone has different ma...
Welding is a well-developed, widely used process for permanently joining metal components. However, the mechanical reliability of welded parts still offers room for improvement. A weld region consists of a fusion zone, a partially melted zone, and a heat-affected zone, and each zone has different material properties. In addition, the geometrical shape of a weld bead or fillet influences the mechanical reliability. A precise structural analysis must consider how a local welded region influences the mechanical behavior of the entire structure. This study focuses on an effective modeling scheme for the weld region. It relies on experimental and numerical methods to determine the proper correlation based on experimental results and to propose a modeling scheme for welded parts.
Welding is a well-developed, widely used process for permanently joining metal components. However, the mechanical reliability of welded parts still offers room for improvement. A weld region consists of a fusion zone, a partially melted zone, and a heat-affected zone, and each zone has different material properties. In addition, the geometrical shape of a weld bead or fillet influences the mechanical reliability. A precise structural analysis must consider how a local welded region influences the mechanical behavior of the entire structure. This study focuses on an effective modeling scheme for the weld region. It relies on experimental and numerical methods to determine the proper correlation based on experimental results and to propose a modeling scheme for welded parts.
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문제 정의
(12) 마이크로 경도 실험은 용접과정에서 열 영향으로 재료물성이 국부적으로 달라지는 영역을 정하는데 유용하다. 그리고 인장실험의 경우 용접된 시편의 전체적인 재료거동을 분석하고, 모재에 대한 재료물성을 얻기 위하여 실시하였다. 또한 용접 맞대기부의 형상에 따라 재료거동에 미치는 영향을 인장실험으로 알아보았다.
이러한 것을 개선하기 위하여 국부적인 경도실험을 통하여 용접부의 물성을 파악하고 물성에 따른 세부 영역으로 나누어서 해석에 반영하도록 하였다. 또한 용접 맞대기부의 형상에 따라 이러한 용접부 물성 불균일성이 어떻게 달라지는지도 확인하였다. 그리고 용접 비드의 형상을 단순화시켜 등가 두께를 고려하는 방법으로 해석의 정밀도를 올리는 방법을 제안하였다.
따라서 용접비드를 고려한 모델링이 필요한데, 쉘 모델에서 이러한 용접비드 형상을 정밀하게 묘사하기가 어렵다. 본 연구에서는 수직 및 수평 두 판의 두께를 고려하여 두 판의 중심선이 만나는 조건을 이용하여 간단하게 용접비드를 모델링하는 방법을 제안하였다.
본 연구에서는 아아크 용접(Arc welding)에서 열 영향부와 용융부의 불균일한 물성을 고려하여 구조해석의 정밀도를 향상시키는 모델링 방법을 제안하고자 한다. 일반적으로 대형구조물의 구조해석에서는 용접부가 구조물의 전체 형상에 비하여 크기가 매우 작기 때문에 용접 비드(weld bead) 및 용접부 물성 불균일성을 무시하고 해석을 수행하는 경우가 많다.
따라서 용접 구조물에 걸리는 변형모드에 따라 해석 모델을 적용하게 되면 해석의 정밀도 향상과 계산시간을 줄일 수 있는 효과가 있다. 본 연구에서는 이러한 세 가지 대표적 변형모드에 대하여 효과적으로 해석 모델링하는 방법에 대하여 연구하였다. 먼저 인장모드에 대하여 알아보았다.
제안 방법
경도실험으로 정량적으로 용접부에 경도 분포값을 측정하였다. 경도실험은 록크웰 경도 시험(Rockwell hardness B-scale)을 이용하여 용접부에 3 mm 의 균일 간격으로 측정하였다.
굽힘 하중에 대한 용접부 거동을 확인해 보기 위하여 3 점 굽힘실험(three-point bending test)을 실시하여 굽힘 과정 중에 나타나는 균열, 파단 등 기계적 건전성을 알아 보았다. 이러한 방식은 용접시편의 문제점을 쉽게 분석하기 위하여 자주 사용하는 방법이다.
또한 용접 맞대기부의 형상에 따라 이러한 용접부 물성 불균일성이 어떻게 달라지는지도 확인하였다. 그리고 용접 비드의 형상을 단순화시켜 등가 두께를 고려하는 방법으로 해석의 정밀도를 올리는 방법을 제안하였다.
맞대기 형상에 따른 재료 거동에 대해서는 Table 1 에 정리된 바와 같다. 두 개의 모재를 맞대기 용접으로 부착 한 뒤, 용접 비드를 밀링머신으로 제거하여 비드 형상에 의한 응력집중이 발생하지 않도록 한 경우와 용접 비드를 그대로 둔 경우에 대하여 각각 인장시편을 만들었다. 맞대기 형상에 따라 각각 5 개의 인장시편을 제작하여 반복 실험을 실시하였다.
4 MPa 로 나타났다. 두 해석 모델의 전체 요소 수는 일치하지 않지만 해석결과를 상호 비교하기 위하여 변형부분에 대한 요소 크기는 일치하도록 하였다. 해석결과에서 쉘 요소를 사용하였을 때 좀 더 높게 응력이 나타났으며 약 6% 차이를 보였다.
그러나 대형 구조물의 구조해석에서는 열 영향부와 같이 연속적으로 재료물성이 변하는 구간을 실제와 같이 묘사하기 위하여 세부 영역으로 다시 나누거나 연속적인 물성을 부가하는 것이 계산시간을 고려할 때 어려움이 있다. 따라서 본 연구에서는 열 영향부의 평균 물성치를 적용하도록 하였다.
또한 굽힘모드에 대한 재료거동을 확인해 보기 위하여 쉘 요소를 사용하여 3 점 굽힘해석을 실시하였다. 해석에서 재료물성은 국부적인 물성을 고려하였고 I 형 맞대기 형상모델의 경우를 사용하였다.
9(a)에 나타낸 것처럼 어선에 로프로 연결되어 배가 진행 함에 따라 끌려가도록 되어 있다. 또한 배의 속도는 일반적인 물고기의 유인속도인 3 m/s 으로 두었기 때문에 트롤도어가 이러한 속도로 수평으로 움직이면서 해저면의 바위(강체)와 35˚의 각도로 충돌하는 조건으로 하였다. 이러한 대형구조물의 충돌해석의 경우 요소 수가 과도하게 많고 또한 접촉조건 등으로 인하여 해석시간이 많이 요구된다.
또한 변형모드에 따라 인장모드, 굽힘모드, T-굽힘모드로 분류하고 각 모드별로 맞는 모델링 방법을 검토하였다. 특히 T 자형 구조는 용접 구조물에 주로 사용되는 형태인데 용접비드를 해석에 고려하지 않은 경우와 고려한 경우에 따라 응력분포 차이가 많이 남을 알 수 있었다.
그리고 인장실험의 경우 용접된 시편의 전체적인 재료거동을 분석하고, 모재에 대한 재료물성을 얻기 위하여 실시하였다. 또한 용접 맞대기부의 형상에 따라 재료거동에 미치는 영향을 인장실험으로 알아보았다. 용융부의 국부적인 재료물성은 인장실험으로 알아보기 어렵기 때문에 나노 인덴테이션(nano-indentation)을 이용하여 하중을 부가할 때(loading)와 해지할 때(unloading)의 하중변화 기울기를 이용하여 해석에 필요한 기계적 물성을 얻었다.
1(a)에 나타낸 것처럼 맞대기 형상에 따라 각각 제작하였다. 또한 용접 비드의 영향을 알아 보기 위하여 용접 비드가 있는 경우와 없는 경우를 나누어서 시험 평가하였다. 용접 비드가 있는 경우는 굽힘실험용 펀치의 단면을 평탄하게 하여 비드 부분에 접촉이 용이하도록 하였다.
두 개의 모재를 맞대기 용접으로 부착 한 뒤, 용접 비드를 밀링머신으로 제거하여 비드 형상에 의한 응력집중이 발생하지 않도록 한 경우와 용접 비드를 그대로 둔 경우에 대하여 각각 인장시편을 만들었다. 맞대기 형상에 따라 각각 5 개의 인장시편을 제작하여 반복 실험을 실시하였다. 인장실험에서 네킹(necking)이 발생하는 부분은 맞대기 형상에 관계없이 용접부의 열 영향부의 끝단에서 대부분 발생되었다.
본 연구에서는 이러한 세 가지 대표적 변형모드에 대하여 효과적으로 해석 모델링하는 방법에 대하여 연구하였다. 먼저 인장모드에 대하여 알아보았다. 인장모드의 시편형태는 용접비드를 제거한 상태로 실험과 동일한 크기, 소재를 선택하여 육면체 요소(solid element)와 쉘 요소(shell element)에 대하여 각각 적용하여 ANSYS(ver.
본 연구에서 실험과 해석을 통하여 용접부 모델링을 위한 효율적 방법을 제안하고 일반적인 해석 모델링 방법과 비교하여 그 결과를 비교하였다. 용접부의 해석모델을 검토하기 위하여 용접부의 물성을 용융부, 열 영향부, 모재로 나누어서 각 부분의 물성을 맞대기 형상에 따라 각각 측정하였다.
앞서 제안된 변형모드에 따른 용접부 모델링 방식을 이용하여 대형구조물에 대한 해석에 적용해 보았다. Fig.
용융부의 국부적인 재료물성은 인장실험으로 알아보기 어렵기 때문에 나노 인덴테이션(nano-indentation)을 이용하여 하중을 부가할 때(loading)와 해지할 때(unloading)의 하중변화 기울기를 이용하여 해석에 필요한 기계적 물성을 얻었다. 열 영향부의 재료물성에 대해서는 경도값에 따른 물성의 관계식을 이용하여 간접적으로 구하였다.
또한 용접 맞대기부의 형상에 따라 재료거동에 미치는 영향을 인장실험으로 알아보았다. 용융부의 국부적인 재료물성은 인장실험으로 알아보기 어렵기 때문에 나노 인덴테이션(nano-indentation)을 이용하여 하중을 부가할 때(loading)와 해지할 때(unloading)의 하중변화 기울기를 이용하여 해석에 필요한 기계적 물성을 얻었다. 열 영향부의 재료물성에 대해서는 경도값에 따른 물성의 관계식을 이용하여 간접적으로 구하였다.
용접된 시편의 전반적인 재료거동을 분석하기 위해 기본적인 인장실험과 굽힘실험을 실시하였다. 모든 시편은 두께 15 mm 로 동일하게 제작하였으며 JIS SS400 소재를 이용하였다.
본 연구에서 실험과 해석을 통하여 용접부 모델링을 위한 효율적 방법을 제안하고 일반적인 해석 모델링 방법과 비교하여 그 결과를 비교하였다. 용접부의 해석모델을 검토하기 위하여 용접부의 물성을 용융부, 열 영향부, 모재로 나누어서 각 부분의 물성을 맞대기 형상에 따라 각각 측정하였다. 측정결과 주어진 용접조건과 방식하에서 얻어진 용융부와 열 영향부의 물성이 모재에 비하여 두 배정도 큰 값으로 나타났다.
8 g/cc 이다. 용접조건으로는 전류 280 A 와 전압 30 V 조건에서 아아크 용접을 실시하였다. 사용된 용접봉은 SF71(Hyundai Welding Co.
일반적으로 대형구조물의 구조해석에서는 용접부가 구조물의 전체 형상에 비하여 크기가 매우 작기 때문에 용접 비드(weld bead) 및 용접부 물성 불균일성을 무시하고 해석을 수행하는 경우가 많다. 이러한 것을 개선하기 위하여 국부적인 경도실험을 통하여 용접부의 물성을 파악하고 물성에 따른 세부 영역으로 나누어서 해석에 반영하도록 하였다. 또한 용접 맞대기부의 형상에 따라 이러한 용접부 물성 불균일성이 어떻게 달라지는지도 확인하였다.
인장모드에 대한 쉘 요소 해석모델과 실험결과의 정확성을 비교하기 위하여 맞대기 형상이 다른 세 가지 모델에서 실제 인장실험에서 구한 재료거동과 해석결과를 서로 비교해 보았다. 해석에 사용된 재료물성은 맞대기 형상에 따른 국부적인 물성을 구한 Table 1 의 재료 물성값을 이용하였다.
먼저 인장모드에 대하여 알아보았다. 인장모드의 시편형태는 용접비드를 제거한 상태로 실험과 동일한 크기, 소재를 선택하여 육면체 요소(solid element)와 쉘 요소(shell element)에 대하여 각각 적용하여 ANSYS(ver. 12)로 탄소성 해석을 수행하였다. 해석에는 실제 형상과 용접부의 물성을 동일하게 모재, 열 영향부, 용융부에 대하여 적용하여 해석을 수행하였다.
용접봉의 구성요소로는 Fe (90 wt%), TiO2 (6 wt%), Mn (2 wt%), SiO2 (1 wt%), 그리고 기타성분이 1 wt% 수준이다. 재료거동 시험에서 용접부의 맞대기 이음 형상에 따른 특성을 분석해 보기 위하여 맞대기 형상을 Fig. 1(a)에 나타낸 것처럼 4 가지 종류(I 형, 단일 V 형, 단일 베벨(bevel)형, 양쪽 V 형)를 사용하였다.
전반적인 실험내용을 정리해 보면 용접부의 국부적인 재료물성과 용접된 시편의 재료거동을 정량적으로 분석하기 위하여 경도실험과 인장실험을 ASTM 구격에 따라 실시하였다.(12) 마이크로 경도 실험은 용접과정에서 열 영향으로 재료물성이 국부적으로 달라지는 영역을 정하는데 유용하다.
트롤 도어의 경우 대부분의 구조물이 강성보강 및 기능을 위하여 T 자형 용접결합으로 제작되었다. 해석 모델은 일반적으로 대형 구조물 해석에 적용하는 방식으로 용접비드 형상이나 국부적 물성을 모두 고려하지 않은 육면체 요소를 적용한 모델과 용접비드에 대한 두께를 본 연구에서 제안된 방법으로 계산하여 적용하고 재료물성도 용접부의 국부적인 물성을 고려한 쉘 모델을 각각 완성하여 해석결과를 비교해 보았다. Fig.
12)로 탄소성 해석을 수행하였다. 해석에는 실제 형상과 용접부의 물성을 동일하게 모재, 열 영향부, 용융부에 대하여 적용하여 해석을 수행하였다. 열 영향부의 경우 용융부를 중심으로 양 쪽(Table 1 의 HAZ1, HAZ2)에 존재하게 되는데 실제 공정에서는 완전한 대칭구조로 되기가 어렵다.
대상 데이터
이러한 방식은 용접시편의 문제점을 쉽게 분석하기 위하여 자주 사용하는 방법이다. 굽힘실험은 ASME 기준에 의하여 실시하였으며, 각 시편은 길이 250 mm, 폭 40 mm 크기로 제작하였으며, Fig. 1(a)에 나타낸 것처럼 맞대기 형상에 따라 각각 제작하였다. 또한 용접 비드의 영향을 알아 보기 위하여 용접 비드가 있는 경우와 없는 경우를 나누어서 시험 평가하였다.
용접된 시편의 전반적인 재료거동을 분석하기 위해 기본적인 인장실험과 굽힘실험을 실시하였다. 모든 시편은 두께 15 mm 로 동일하게 제작하였으며 JIS SS400 소재를 이용하였다. 기본적인 재료물성으로 탄성계수 200 GPa, 인장강도 448 MPa, 푸아송비 0.
용접조건으로는 전류 280 A 와 전압 30 V 조건에서 아아크 용접을 실시하였다. 사용된 용접봉은 SF71(Hyundai Welding Co., Ltd)을 사용하였다. 용접봉의 구성요소로는 Fe (90 wt%), TiO2 (6 wt%), Mn (2 wt%), SiO2 (1 wt%), 그리고 기타성분이 1 wt% 수준이다.
해석형상과 조건으로는 T1와 T2가 각각 20 mm, 6 mm 로 두었고, 수직판의 높이를 50 mm, 수평판의 길이를 206 mm 로 하였다. 압력조건으로 수직판이 굽힘이 발생하도록 수직판의 끝단부에 5 MPa 의 하중을 가하였으며, 사용된 소재는 구조용강에 많이 사용되는 JIS SS400로 하였다. Fig.
9(a)에 나타낸 바와 같이 적용된 모델은 저인망 그물을 유도하는 트롤 도어(trawl door)이며, 일반적으로 그 크기가 2~5 m 정도 가진다. 해석 모델의 경우, 폭 2500 mm, 높이 1500 mm 를 가진다. 해석조건으로는 트롤 도어는 Fig.
인장모드에 대한 쉘 요소 해석모델과 실험결과의 정확성을 비교하기 위하여 맞대기 형상이 다른 세 가지 모델에서 실제 인장실험에서 구한 재료거동과 해석결과를 서로 비교해 보았다. 해석에 사용된 재료물성은 맞대기 형상에 따른 국부적인 물성을 구한 Table 1 의 재료 물성값을 이용하였다. 또한 실험에서 구한 모재의 물성은 평균치로 탄성 계수 143.
또한 굽힘모드에 대한 재료거동을 확인해 보기 위하여 쉘 요소를 사용하여 3 점 굽힘해석을 실시하였다. 해석에서 재료물성은 국부적인 물성을 고려하였고 I 형 맞대기 형상모델의 경우를 사용하였다. Fig.
제안된 방법의 신뢰성을 검토해 보기 위하여 수직, 수평으로 용접된 T 형 구조에 대하여 육면체 요소를 사용하여 정밀하게 용접비드 형상을 고려한 경우와 본 논문에서 제안된 쉘 모델링과의 해석결과를 비교해 보았다. 해석형상과 조건으로는 T1와 T2가 각각 20 mm, 6 mm 로 두었고, 수직판의 높이를 50 mm, 수평판의 길이를 206 mm 로 하였다. 압력조건으로 수직판이 굽힘이 발생하도록 수직판의 끝단부에 5 MPa 의 하중을 가하였으며, 사용된 소재는 구조용강에 많이 사용되는 JIS SS400로 하였다.
데이터처리
제안된 방법의 신뢰성을 검토해 보기 위하여 수직, 수평으로 용접된 T 형 구조에 대하여 육면체 요소를 사용하여 정밀하게 용접비드 형상을 고려한 경우와 본 논문에서 제안된 쉘 모델링과의 해석결과를 비교해 보았다. 해석형상과 조건으로는 T1와 T2가 각각 20 mm, 6 mm 로 두었고, 수직판의 높이를 50 mm, 수평판의 길이를 206 mm 로 하였다.
이론/모형
경도실험으로 정량적으로 용접부에 경도 분포값을 측정하였다. 경도실험은 록크웰 경도 시험(Rockwell hardness B-scale)을 이용하여 용접부에 3 mm 의 균일 간격으로 측정하였다. Fig.
용융부에 대한 재료물성은 일반적으로 용접봉의 재질과 응고 속도에 의하여 영향을 받으며 탄성계수가 모재와 확연히 구별이 된다. 용융부의 탄성계수를 계산하기 위하여 식 (3)과 같이 나노 인덴테이션의 하중제거 곡선(unloading curve)의 기울기를 이용하는 올리브(Oliver) 방식을 이용하였다.(16) Fig.
성능/효과
(12) 마이크로 경도 실험은 용접과정에서 열 영향으로 재료물성이 국부적으로 달라지는 영역을 정하는데 유용하다. 그리고 인장실험의 경우 용접된 시편의 전체적인 재료거동을 분석하고, 모재에 대한 재료물성을 얻기 위하여 실시하였다.
Fig. 9(b)에 나타낸 해석결과에서 용접비드가 없는 경우와 있는 경우의 응력분포를 살펴보면, 용접비드가 없는 일반적으로 접근하는 방법에서는 국부적인 응력분포가 충돌이 발생하는 면에만 집중되어 나타나며, 본 연구에서 제안한 방법을 적용한 쉘 모델에서는 응력분포가 보다 명확하게 전파되어 나타남을 알 수 있다. 또한 해석시간을 비교해 보면 육면체 요소의 경우 CPU 계산 시간으로 7.
용접 비드가 있는 경우는 굽힘실험용 펀치의 단면을 평탄하게 하여 비드 부분에 접촉이 용이하도록 하였다. Fig. 3 에 나타낸 실험결과를 살펴보면 네 가지 맞대기 형상 및 용접 비드가 있는 경우와 없는 경우를 포함하여 모든 시편에서 거의 U 자형이 될 때까지 굽힘이 발생하면서 외형적으로 균열이나 파단이 발생하여 않아서 굽힘에 의한 용접부의 기계적 건전성은 우수함을 알 수 있었다. 또한 굽힘실험을 통하여 용접부를 가진 시편의 재료거동 형태를 파악할 수 있었다.
용접부는 측정된 경도 값의 분포에 따라 용융부(fusion zone), 열 영향부(heat affected zone), 그리고 모재(base metal) 등 세 가지 영역으로 분류할 수 있다. 경도 값은 HRB 80 에서 90 사이의 값을 가지며 용융부와 모재의 경우에는 일정한 경도 값을 나타내지만 열 영향부의 경우 약 7 mm 정도의 범위에서 용접시 온도분포, 냉각속도의 영향으로 경도 값이 국부적인 편차를 가지며 용융부에 가까울수록 경도 값이 거의 선형적으로 증가함을 알 수 있다. 그러나 대형 구조물의 구조해석에서는 열 영향부와 같이 연속적으로 재료물성이 변하는 구간을 실제와 같이 묘사하기 위하여 세부 영역으로 다시 나누거나 연속적인 물성을 부가하는 것이 계산시간을 고려할 때 어려움이 있다.
이러한 오차량은 앞서 용접비드 두께를 계산하는 방식에서 쉘 모델의 경우 수직, 수평판과 용접비드의 두께가 만나는 부분에서 이중으로 고려되는 부분이 있는데 그러한 기하학적 오차량이 같이 포함된 것으로 판단된다. 그러나 전체적으로 제안된 모델링 방식이 T자형 구조물의 재료거동을 잘 묘사하며, 대형 구조물의 해석에서는 모델링 시간과 해석시간을 줄일 수 있다고 사료된다.
특히 T 자형 구조는 용접 구조물에 주로 사용되는 형태인데 용접비드를 해석에 고려하지 않은 경우와 고려한 경우에 따라 응력분포 차이가 많이 남을 알 수 있었다. 그리고 대형 구조물 해석예제를 통하여 국부적 용접부 물성과 용접비드를 고려한 경우에 보다 정밀한 해석결과와 짧은 계산시간이 얻어짐을 알 수 있었다. 그러나 실제 대형구조물에 대한 실험을 통하여 본 연구에서 제안된 방법의 신뢰성을 향후 연구에서 검증할 필요가 있다.
647e5 sec 로 나타났다. 따라서 계산시간 면에서도 제안된 방식이 우수함을 알 수 있다.
해석결과에서 쉘 요소를 사용하였을 때 좀 더 높게 응력이 나타났으며 약 6% 차이를 보였다. 따라서 인장모드의 결과에서는 쉘 요소를 이용하여 해석한 결과가 육면체의 경우에 비하여 해석시간이 약 43% 절감이 되며 최대 응력값도 유사하여 효율적인 해석모델 방법으로 사료된다.
해석에 사용된 재료물성은 맞대기 형상에 따른 국부적인 물성을 구한 Table 1 의 재료 물성값을 이용하였다. 또한 실험에서 구한 모재의 물성은 평균치로 탄성 계수 143.75 GPa, 항복응력 331.4 MPa, 그리고 경도 78 HRB 로 나타났다. 응력-변형률 선도의 결과를 비교해 보면 Fig.
8(b)에 나타낸 해석 결과에서 최대응력 발생부 위치와 크기가 유사하게 나타났다. 본 연구에서 제안된 쉘 모델의 경우 약 5.7% 더 큰 값으로 나타남을 알 수 있다. 이러한 오차량은 앞서 용접비드 두께를 계산하는 방식에서 쉘 모델의 경우 수직, 수평판과 용접비드의 두께가 만나는 부분에서 이중으로 고려되는 부분이 있는데 그러한 기하학적 오차량이 같이 포함된 것으로 판단된다.
또한, 맞대기 형상에 따른 항복응력과 탄성계수는 거의 유사함을 알 수 있다. 인장강도(ultimate strength)는 평균치로 약 460 MPa 로 나타났으며 항복응력의 경우 용접 비드를 제거한 경우에 293 MPa 에서 342 MPa 범위에 있으며 용접 비드가 있는 경우는 약 5% 정도 응력집중 효과에 의해 줄어듦을 알 수 있었다. 여기서 국부적인 물성인 열영향부와 용융부에 대하여 항복응력과 탄성계수 값을 구하는 방법은 경도 값을 이용한 실험식을 활용하였는데 자세한 것은 2.
용접부의 해석모델을 검토하기 위하여 용접부의 물성을 용융부, 열 영향부, 모재로 나누어서 각 부분의 물성을 맞대기 형상에 따라 각각 측정하였다. 측정결과 주어진 용접조건과 방식하에서 얻어진 용융부와 열 영향부의 물성이 모재에 비하여 두 배정도 큰 값으로 나타났다.
두 해석 모델의 전체 요소 수는 일치하지 않지만 해석결과를 상호 비교하기 위하여 변형부분에 대한 요소 크기는 일치하도록 하였다. 해석결과에서 쉘 요소를 사용하였을 때 좀 더 높게 응력이 나타났으며 약 6% 차이를 보였다. 따라서 인장모드의 결과에서는 쉘 요소를 이용하여 해석한 결과가 육면체의 경우에 비하여 해석시간이 약 43% 절감이 되며 최대 응력값도 유사하여 효율적인 해석모델 방법으로 사료된다.
후속연구
그리고 대형 구조물 해석예제를 통하여 국부적 용접부 물성과 용접비드를 고려한 경우에 보다 정밀한 해석결과와 짧은 계산시간이 얻어짐을 알 수 있었다. 그러나 실제 대형구조물에 대한 실험을 통하여 본 연구에서 제안된 방법의 신뢰성을 향후 연구에서 검증할 필요가 있다.
이러한 차이는 굽힘실험에서는 용접비드의 형상을 그대로 두었고, 해석에서는 쉘 모델에서는 비드 높이 만큼을 용융부의 두께로만 표현하여 비드형상을 명확하게 고려하기 어렵기 때문에 실험과 해석의 차이가 발생한 것으로 사료된다. 향후 쉘 요소에서 굽힘에 대한 보다 정밀한 해석을 위한 용접비드 고려한 해석모델링 방법을 연구할 필요가 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
정밀구조해석을 위해 국부적인 용접부의 특성을 잘 고려해야 하는 이유는?
용접부는 용융부, 부분용융부, 열영향부로 나누어지며 각각의 영역들은 다른 재료물성을 가지게 된다. 또한 용접부는 용접비드 형상에 따라 기계적 신뢰성이 많이 차이 난다. 따라서 정밀한 구조해석을 수행하기 위해서는 이러한 국부적인 용접부의 특성을 잘 고려해야 한다.
용접은 무엇을 위해 많이 사용하는가?
용접은 대형구조물을 제작할 때 영구적 접합을 위해서 많이 사용하는 공정이다. 용접부는 용융부, 부분용융부, 열영향부로 나누어지며 각각의 영역들은 다른 재료물성을 가지게 된다.
용접부는 어떻게 나뉘는가?
용접은 대형구조물을 제작할 때 영구적 접합을 위해서 많이 사용하는 공정이다. 용접부는 용융부, 부분용융부, 열영향부로 나누어지며 각각의 영역들은 다른 재료물성을 가지게 된다. 또한 용접부는 용접비드 형상에 따라 기계적 신뢰성이 많이 차이 난다.
참고문헌 (16)
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