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3차원 균열을 갖는 구조물에 대한 건전성 평가(II)
Integrity Evaluation for 3D Cracked Structures(II) 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.14 no.1, 2013년, pp.1 - 6  

이준성 (경기대학교 기계시스템공학과)

초록
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3차원 균열은 항공기나 압력용기 계통에서 흔히 발견되는 결함중의 하나이다. 균열을 갖는 구조물에 대한 정확한 응력확대계수 해석과 균열성장속도는 파괴강도와 피로수명을 평가하는데 필요로 한다. 3차원 유한요소법은 구조물에 존재하는 표면균열의 응력확대계수를 구하는데 이용되어 진다. 기하모델, 즉 균열을 포함하는 솔리드모델을 정의한 후, 절점이 버켓법에 의해 생성되어 진다. 요소생성은 사변형 솔리드요소를 데라우니 삼각화 기술에 의해 생성하도록 하였다. 시스템의 정확도와 효용성을 체크하기 위해 내압을 받는 원통형용기에 균열이 존재하는 경우의 응력확대계수 해석을 수행하였다. 개발된 시스템을 이용한 해석결과는 ASME 식과 Raju-Newnam식과 비교하여 5%이내의 차이를 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

Three Surface cracks are among the more common flaws in aircraft and pressure vessel components. Accurate stress intensity analyses and crack growth rate data of surface-cracked components are needed for reliable prediction of their fatigue life and fracture strengths. Three Dimensional finite eleme...

주제어

#Surface Crack   #Stress Intensity Factor   #Finite Element Analysis   #Mesh Generation  

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

  • 그러나 데로우니법은 요소가 생성되어진 절점분포에 의해 임의로 분할되기 때문에 균열면의 상하에 위치하는 절점을 연결하지 않도록 절점분포를 미리 조정할 필요가 있다. 그래서, 타원체로서 균열의 토폴로지의 유사성에 착안하여 타원체를 도려내는 균열도 입법을 제안하고자 한다. 구체적으로는 구조물의 형상을 정의할 때, 균열을 넣고 싶은 위치에 타원체를 도려냄으로써 균열부의 상하면을 연결하지 않도록 하면 된다.
  • 본 연구에서는 원통형용기에 존재하는 3차원 표면균열에 대한 응력확대계수 해석을 위하여, 해석코드와 연계된 해석시스템을 개발하였다. 개발된 시스템을 이용하여 내압을 받는 원통형용기의 균열에 대한 해석을 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

가설 설정

  • 하중조건은 원자력발전소의 정상가동조건에서의 내압인 15.8 MPa로 가정하였으며, 원통형용기의 내벽에 압력을 가하고 내압으로 인해 발생하는 축력을 단면에 작용시켜 축방향으로 인장력을 가하였다. 경계조건은 형상에서 주어진 대칭면을 따라 각각의 면은 고정 경계조건으로 설정하였으며, 균열선단의 노드는 구속되어 있다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
균열을 갖는 구조물의 파괴강도와 피로수명을 평가를 평가하는데 필요한 요소는? 3차원 균열은 항공기나 압력용기 계통에서 흔히 발견되는 결함중의 하나이다. 균열을 갖는 구조물에 대한 정확한 응력확대계수 해석과 균열성장속도는 파괴강도와 피로수명을 평가하는데 필요로 한다. 3차원 유한요소법은 구조물에 존재하는 표면균열의 응력확대계수를 구하는데 이용되어 진다.
3차원 균열은 주로 어디에서 발견되는 결함인가? 3차원 균열은 항공기나 압력용기 계통에서 흔히 발견되는 결함중의 하나이다. 균열을 갖는 구조물에 대한 정확한 응력확대계수 해석과 균열성장속도는 파괴강도와 피로수명을 평가하는데 필요로 한다.
ASME Boilier and Pressure Vessel Code Section Ⅲ[1]에 준하여 설계된 원자력 발전소가 가질 수 있는 문제점은 무엇인가? 원자력발전소의 주요기기는 고온 고압의 가동조건하에서 안전성을 유지할 수 있도록 ASME Boilier and Pressure Vessel Code Section Ⅲ[1]에 준하여 설계한다. 이렇게 설계된 원자력발전소 주요기기에는 재질의 불균일성이나 용접과정상의 문제 등의 이유로 미소균열이 존재할 수 있으며 이러한 미소균열 중 일부는 가동 시 계속적인 반복하중을 받음으로써 기기 건전성에 영향을 미칠 수 있는 크기의 균열로 성장할 수도 있다. 가동 중인 원자력발전소에서 이러한 결함이 발견될 경우, ASME Section XI[2]에 준한 결함 안전성 평가를 수행하여 그 안전성이 입증되어야만 계속 가동할 수 있다.
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참고문헌 (13)

  1. ASME Boiler and Pressure Vessel Code Section III, "Rules for Construction of Neclear Plant Components," 1995. 

  2. ASME Boiler and Pressure Vessel Code Section XI, "Rules for In-Service Inspection of Neuclear Power Plant Components," 1995. 

  3. S.L. Kwak, J.S. Lee, Y.J. Kim and Y.W. Park, "Probabilistic Integrity Assessment of Axial Flaw in CANDU Pressure Tube Due to the Diameter and Thickness Variation," Fitness for Service Evaluation and Non-Linear Analysis, Proceedings of the ASME Pressure Vessels and Piping Conference, PVP Vol. 442, pp. 111-118, 2006. 

  4. Y.J. Choi, J.S. Lee, Y.J. Yoo, "Fracture Analysis for Ceramic Disk with Semi-Elliptical Crack and Pore", Proceedings of KSPE 2012 Spring Conference, pp. 957-958, 2012. 

  5. J.S. Lee, "Automated CAE System for Three-Dimensional Complex Geometry", Doctoral Thesis, The University of Tokyo, 1995. 

  6. B.K. Bae and J.S. Lee, "Domain Decomposition Method for Elasto-Plastic Problem," Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol. 12, No. 8, pp. 3284-3390, 2011. DOI: http://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2011.12.8.3384 

    원문보기 상세보기 crossref

  7. J.S. Lee, "Integrity Evaluation for 3D Cracked Structures(I)," Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol. 13, No. 8, pp. 3295-3300, 2012. DOI: http://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2012.13.8.3295 

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  8. J.S. Park, "Finite Element Analysis with ANSYS", Info-Tech Corea, 2011. 

  9. T. Asano, "Practical Use of Bucketing Techniques in Computational Geometry," Computational Geometry, North-Holland, pp. 153-195, 1995. 

  10. Watson, D. F., "Computing the n-Dimensional Delaunay Tessellation with Application to Voronoi Polytopes," The Computer Journal, Vol. 24, pp. 162-172, 1991. DOI: http://dx.doi.org/10.1093/comjnl/24.2.167 

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  11. J.C. Cavendish, D.A. Field and W.H. Frey., "An approach to Automatic Three-Dimensional Finite Element Mesh Generation," International Journal for Numerical Methods in Engineering, Vol. 21, pp. 329-347, 1985. DOI: http://dx.doi.org/10.1002/nme.1620210210 

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  12. Shiratori, M., "Analysis of Stress Intensity Factors for Surface Cracks subjected to Arbitrary Distributed Stresses," Bulletin of the Faculty of Engineering, Yokohama National University, Vol. 35, 1996. 

  13. Raju, I.S. and Newman, J.C., "Stress Intensity Factors for Internal and External Surface Cracks in Cylindrical Vessel," Journal of Pressure Vessel Technology, Vol. 104, pp. 293-298, 1982. DOI: http://dx.doi.org/10.1115/1.3264220 

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