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제안 방법
- 본 연구에서는 내부에 크랙과 구멍(결함)이 존재하는 고장력 강판 시험편 모델들에 대하여 크랙의 전파 및 성장특성을 주제로 시뮬레이션 해석을 수행하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 본 연구에서는 해석 결과와의 비교 검토를 위하여 중앙크랙이 존재하는 고장력 강판 시험편과 중앙크랙뿐만 아니라 크랙의 주변에 대칭으로 4개의 구멍들이 존재하는 고장력 강판 시험편을 가지고 피로 실험하였으며 이들 시험편들을 피로 시험기에 장착된 모양은 Fig. 3과 같다. 실험 수행에 앞서 시험편의 한끝을 인장시험기의 Load cell에 고정시키고 시험편의 다른 한쪽 끝을 인장시험기의 Ram을 이용하여 3747N의 힘으로 잡아당긴다.
- 시뮬레이션 해석을 수행하기에 앞서 시험편 해석 모델들을 2D 모델로서 ANSYS 유한요소해석 프로그램의 디자인 모델러를 사용하여 설계하였다. 설계된 모델들의 형태는 다음에 도시된 Fig.
- 본 연구에서의 중앙크랙이 존재하는 고장력 강판 시험편 모델들과 중앙크랙뿐만 아니라 크랙의 주변에 대칭으로 4개의 구멍들이 존재하는 고장력 강판 시험편 모델들에 대한 시뮬레이션 해석 방법은 다음과 같다. 시험편을 인장시험기에 장착한 것으로 가정하였을 때 시험편의 한쪽 끝을 Load cell에 고정한 것처럼 모델의 한쪽 끝을 Fixed support 조건을 부여하여 고정시키고 다른 한쪽 끝은 인장시험기의 Ram으로 잡아당기는 것처럼 3747N의 힘을 주어 잡아당겨 해석을 수행하였다.
- 7에 도시하였다. 위에서 언급한 바와 같이 각 시험편 모델들의 한쪽끝을 Fixed support 조건으로 고정하였고, 다른 한쪽 끝에 3747N의 힘 을 주어 잡아당겨 변형과 응력의 발생을 해석을 통해 알아보고자 하였다. 또한 Table 1은 시뮬레이션 해석에 적용한 시험편 모델들의 물성치이다.
- 1-3) 특히, 고장력강 등의 경우 의외로 항복응력보다 더 낮은 응력에서도 파괴가 일어나는 경우들이 있는데 이러한 파손들은 대부분이 해당 재료 내부에 존재하고 있는 결함으로부터 발생하는 크랙에 의한 것이다. 이에 따라 본 연구에서는 재료 내부에 크랙이 존재할 때와 크랙의 주변에 구멍(결함) 등이 함께 존재할 때 크랙의 전파 및 성장특성에 대하여 알아보기 위해 총 24가지 종류의 시험편들을 구상한 뒤 유한요소해석 프로그램인 ANSYS를 사용하여 시뮬레이션 구조 해석을 수행, 크랙의 진전을 연구하였고 시뮬레이션 해석을 통해 Strain energy와 변형량, 응력을 예측하였으며 이를 바탕으로 얻어진 각각의 응력확대계수를 상호 비교해 보았다. 본 연구에서 얻어진 시뮬레이션 해석 결과값들을 통하여 재료 내에서 파괴를 일으킬 수 있는 크랙의 역학적 거동을 분석할 수 있고, 재료 내에 존재하는 크랙에 의해 재료의 변형과 Strain energy의 변화, 응력의 발생 및 증가로 재료의 파괴 가능성이 있음을 예측해 볼 수 있었다.
대상 데이터
- 시뮬레이션 해석을 수행하기에 앞서 시험편 해석 모델들을 2D 모델로서 ANSYS 유한요소해석 프로그램의 디자인 모델러를 사용하여 설계하였다. 설계된 모델들의 형태는 다음에 도시된 Fig. 1, Fig. 2와 같으며, 각 모델들은 중앙크랙 길이 1mm단위로 Fig. 1 형태의 모델들은 3mm ~ 12mm까지 10개, Fig. 2 형태의 모델들은 3mm ~ 16mm까지 14개로 총 24개의 모델들을 설계하여 해석을 수행하였다.6)
데이터처리
- Table 4와 Table 5는 해석과 실험에 의해 각각 얻어진 응력확대계수 KI과 응력확대계수 K를 나타낸 것이며, 시뮬레이션 해석으로 얻은 응력확대계수 KI을 기준으로 하여 상호 비교해보았다.
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