[논문]ABAQUS 서브루틴을 이용한 레일 보수용접 잔류응력 해석

김동욱; 전현규; 이상환; 장윤석

doi:10.7736/kspe.2016.33.7.551

ABAQUS 서브루틴을 이용한 레일 보수용접 잔류응력 해석
Residual Stress Analysis of Repair Welded Rail Using the ABAQUS User Subroutine 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.33 no.7, 2016년, pp.551 - 558

김동욱 (과학기술연합대학원대학교 철도시스템공학과) , 전현규 (한국철도기술연구원 피로손상연구팀) , 이상환 (경희대학교 원자력공학과) , 장윤석 (경희대학교 원자력공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Reduction of welding residual stress is very important in the railway industry, but calculating its distribution in structures is difficult because welding residual stress formation is influenced by various parameters. In this study, we developed a finite element model for simulating the repair welding process to recover a surface damaged rail, and conducted a series of parametric studies while varying the cooling rate and the duration of post weld heat treatment (PWHT) to find the best conditions for reducing welding residual stress level. This paper presents a three-dimensional model of the repair welding process considering the phase transformation effect implemented by the ABAQUS user subroutine, and the results of parametric studies with various cooling rates and PWHT durations. We found that heat treatment significantly reduced the residual stress on the upper rail by about 170 MPa.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 냉각속도 및 후열처리 방법에 따른 두 가지 사례연구를 통해 잔류응력 변화를 고찰하였다. 첫 번째는 용접이 끝난 후, 대류열전달 계수를(mW/mm2℃) 변화시켜 동일한 시간 동안 서로 다른 냉각온도를 적용하면서 잔류응력의 변화를 살펴보았다.
본 연구에서는 철도 레일의 보수용접시 냉각속도와 후열처리 방법에 따라 발생하는 잔류응력의 크기를 예측하기 위하여 유한요소해석 모델을 개발하였으며 냉각속도의 변화와 용접 후열처리 시간을 변화시켜 잔류응력의 변화를 고찰하였다. 해석 모델은 ABAQUS를 이용하였으며, 상변태를 고려하기 위하여 사용자 서브루틴 (User Subroutine) UEXPAN을 적용하였다.
본 연구에서는 해석 상용 프로그램인 ABAQUS 사용자 서브루틴 환경에서 철도 레일 보수용접에 대한 수학적 모델링을 개발하였고, 상변태 해석을 통하여 레일 헤드부 표면의 잔류응력 변화를 관찰하였다. 또한, 다양한 대류열전달계수 및 국부 후열처리를 통하여 용접이 끝난 후에 잔류응력 변화를 살펴보았다.

가설 설정

η, V, I, A, ν, Δtf 는 각각 용접효율, 인가 전압, 인가전류, 용접봉의 단면적, 용접속도 및 용접에 소요되는 시간이다. 용융풀이 만들어지는 온도는 용접재료의 용융온도인 1506℃로 가정하였다. 또한, 용접 전 예열은 Fig.

제안 방법

(1) 상온에서 용융점까지 변화되는 온도환경에서 결정입자의 상분율 및 열팽창계수를 사용자 서브루틴을 통하여 적용하였다. 그 결과, 레일 헤드부 표면에서의 인장응력이 압축응력으로 변화됨을 확인할 수 있었고 상변태 고려를 통하여 실제 현상에 더 가까운 잔류응력분포를 얻을 수 있었다.
용접과정중 입열된 열로 인한 부피변화로 발생되는 내부 기계적 변형에너지는 용접시 가해지는 열에너지에 비해 매우 작은 값이므로 열전달 해석 (Heat Transfer Analysis)과 열응력 해석 (Thermal Stress Analysis)을 분리 (Uncoupled)하여 수행하였다.¹⁰ 위 내용으로 인해 본 논문에서는 온도 이력을 얻기 위한 열전도 해석과 응력 해석은 별도로 수행하였다. 해석절차는 모델링 구축과 열전달 및 열응력 해석 단계로 구성하였다.
용접 시뮬레이션에 대한 상세한 설명은 앞서 발표한 논문에 수록하였다.⁸용접 후의 냉각속도를 다양하게 하여 냉각속도에 따른 잔류응력의 발생을 분석하였고 냉각속도는 대류열전달계수를 변화시키면서 조절하였다.
해석절차는 모델링 구축과 열전달 및 열응력 해석 단계로 구성하였다. 각 비드별로 용접열원을 주입하여 온도분포를 열전도 해석 바탕으로 계산하였으며 온도이력에 대한 히스토리를 각 비드에 적용하여 열응력을 계산하였다.
⁶본 연구에서는 상변태를 구현하기 위해 ABAQUS 사용자 서브루틴을 사용하였다. 그리고 UEXPAN을 프로그래밍 함으로써 열원에 따른 열팽창계수를 변화시켜 결정구조 단계에 따른 잔류응력 변화를 살펴보았다. 온도변화에 따른 오스테나이트와 마르텐사이트의 용적분율 (Volume Fraction)은 다음과 같이 계산하였다.
첫 번째는 용접이 끝난 후, 대류열전달 계수를(mW/mm2℃) 변화시켜 동일한 시간 동안 서로 다른 냉각온도를 적용하면서 잔류응력의 변화를 살펴보았다. 두 번째는 국부 후열처리 (Local Post Weld Heat Treatment: PWHT)를 통하여 가열온도와 지속시간을 변화시켜 가면서 잔류응력의 변화를 살펴보았다.
본 연구에서는 해석 상용 프로그램인 ABAQUS 사용자 서브루틴 환경에서 철도 레일 보수용접에 대한 수학적 모델링을 개발하였고, 상변태 해석을 통하여 레일 헤드부 표면의 잔류응력 변화를 관찰하였다. 또한, 다양한 대류열전달계수 및 국부 후열처리를 통하여 용접이 끝난 후에 잔류응력 변화를 살펴보았다. 결과를 요약하면 다음과 같다.
철도레일 보수용접의 경우에는 레일의 길이가 수백 km에 달하므로 노내 후열 처리를 수행할 수 없어 국부 후열처리에 대한 시뮬레이션을 수행하였다. 레일 헤드부 표면에서 후열처리에 따른 응력풀림을 시뮬레이션 하기 위하여 2가지의 유지온도 (600, 700℃) 및 각각의 온도에서의 유지시간 (1, 2 Hour)을 파라미터로 적용하여 해석을 수행하였다. 냉각속도는 동일하게 시간당 100℃씩 냉각되도록 하였다.
레일 헤드부 표면에서의 용접 프로세스를 해석하기 위하여 용접 과정을 모델링하였다. 한 층의 용접비드 (Weld Bead)는 여러번의 패스 (Pass)로 구성되어 있으며, 각 패스의 입열량은 식(1)과 같이 계산하였다.
이러한 이유로 본 논문에서는 해석 시간 단축과 모델링의 편이성을 위해 온도규정법을 사용하였다. 본 해석에 앞서 단순 모델에 대한 열유량주입법과 온도규정법을 이용한 비교해석을 수행하여 온도규정법의 적용성을 검토하였다.
6과 같이 진행되었다. 용접과정중 입열된 열로 인한 부피변화로 발생되는 내부 기계적 변형에너지는 용접시 가해지는 열에너지에 비해 매우 작은 값이므로 열전달 해석 (Heat Transfer Analysis)과 열응력 해석 (Thermal Stress Analysis)을 분리 (Uncoupled)하여 수행하였다.¹⁰ 위 내용으로 인해 본 논문에서는 온도 이력을 얻기 위한 열전도 해석과 응력 해석은 별도로 수행하였다.
용접비드는 총 6개의 패스로 구성하였고, 용접비드의 생성은 ABAQUS ‘Model Change’ 옵션을 사용함으로써 실제 용접프로세스를 최대한 유사하게 구현하였다.
육성용접 해석시 대류열전달 적용범위는 각 패스마다 활성화된 ‘Model Change’로 인해 생성된 용접비드 요소망의 유무에 따라 각각의 비드 패스가 끝나는 시점에서 적용범위를 늘려가는 방법으로 구현하였다.
용접 후열처리는 크게 국부 후열처리와 노내 후열처리로 나눌 수 있다. 철도레일 보수용접의 경우에는 레일의 길이가 수백 km에 달하므로 노내 후열 처리를 수행할 수 없어 국부 후열처리에 대한 시뮬레이션을 수행하였다. 레일 헤드부 표면에서 후열처리에 따른 응력풀림을 시뮬레이션 하기 위하여 2가지의 유지온도 (600, 700℃) 및 각각의 온도에서의 유지시간 (1, 2 Hour)을 파라미터로 적용하여 해석을 수행하였다.
본 연구에서는 냉각속도 및 후열처리 방법에 따른 두 가지 사례연구를 통해 잔류응력 변화를 고찰하였다. 첫 번째는 용접이 끝난 후, 대류열전달 계수를(mW/mm2℃) 변화시켜 동일한 시간 동안 서로 다른 냉각온도를 적용하면서 잔류응력의 변화를 살펴보았다. 두 번째는 국부 후열처리 (Local Post Weld Heat Treatment: PWHT)를 통하여 가열온도와 지속시간을 변화시켜 가면서 잔류응력의 변화를 살펴보았다.
¹⁰ 위 내용으로 인해 본 논문에서는 온도 이력을 얻기 위한 열전도 해석과 응력 해석은 별도로 수행하였다. 해석절차는 모델링 구축과 열전달 및 열응력 해석 단계로 구성하였다. 각 비드별로 용접열원을 주입하여 온도분포를 열전도 해석 바탕으로 계산하였으며 온도이력에 대한 히스토리를 각 비드에 적용하여 열응력을 계산하였다.

대상 데이터

용접비드는 총 6개의 패스로 구성하였고, 용접비드의 생성은 ABAQUS ‘Model Change’ 옵션을 사용함으로써 실제 용접프로세스를 최대한 유사하게 구현하였다.⁸ 열유동 해석에 사용한 요소는 DC3D8이며, 잔류응력 해석에 사용한 요소는 C3D8R이다. 모델링 구성에는 육면체 요소를 사용하였으며 절점 수는 48,682개, 요소 수는 42,650개 이다.
레일의 육성용접 잔류응력 해석을 위해 고속선 레일로 사용되는 UIC 60 레일의 형상을 Fig. 5와 같이 모델링 하였다. 레일의 전체 높이는 172 mm, 하부폭은 150 mm, 상부폭은 74.
5와 같이 모델링 하였다. 레일의 전체 높이는 172 mm, 하부폭은 150 mm, 상부폭은 74.3 mm 이다. 보수용접 시공범위는 폭 40 mm, 길이 86 mm, 깊이 10 mm로써 레일 헤드 중앙에 위치하도록 하였다.
⁸ 열유동 해석에 사용한 요소는 DC3D8이며, 잔류응력 해석에 사용한 요소는 C3D8R이다. 모델링 구성에는 육면체 요소를 사용하였으며 절점 수는 48,682개, 요소 수는 42,650개 이다.
유한요소해석에 사용된 재료는 실제 철도 레일에 많이 사용되며 탄소함유량이 0.63 - 0.75 %인 고탄소강 900A이다. Table 2 및 Fig.

이론/모형

변화되는 과정에서 팽창과 수축을 반복하기 때문에 상변태에 따른 부피 변화는 잔류응력 해석 모델을 만드는데 있어 중요한 사항으로 고려되고 있다.⁶본 연구에서는 상변태를 구현하기 위해 ABAQUS 사용자 서브루틴을 사용하였다. 그리고 UEXPAN을 프로그래밍 함으로써 열원에 따른 열팽창계수를 변화시켜 결정구조 단계에 따른 잔류응력 변화를 살펴보았다.
냉각속도는 동일하게 시간당 100℃씩 냉각되도록 하였다. 본 논문에서 국부 후열처리 해석은 KS-B-0954¹⁶ 규격에 맞추어 진행 하였다. 가열온도 및 지속시간에 대한 해석조건은 Table 4와 같고 진행곡선은 Fig.
레일의 보수용접을 시뮬레이션 하기 위해, 다층으로 구성된 용접 비드를 생성하는 유한요소 해석 모델링은 과정이 복잡하고 시간과 비용이 많이 든다. 이러한 이유로 본 논문에서는 해석 시간 단축과 모델링의 편이성을 위해 온도규정법을 사용하였다. 본 해석에 앞서 단순 모델에 대한 열유량주입법과 온도규정법을 이용한 비교해석을 수행하여 온도규정법의 적용성을 검토하였다.
본 연구에서는 철도 레일의 보수용접시 냉각속도와 후열처리 방법에 따라 발생하는 잔류응력의 크기를 예측하기 위하여 유한요소해석 모델을 개발하였으며 냉각속도의 변화와 용접 후열처리 시간을 변화시켜 잔류응력의 변화를 고찰하였다. 해석 모델은 ABAQUS를 이용하였으며, 상변태를 고려하기 위하여 사용자 서브루틴 (User Subroutine) UEXPAN을 적용하였다.

성능/효과

(2) 대류열전달계수의 변화에 따른 후열처리 해석을 통하여 급냉 및 서냉에 따른 레일 헤드부 표면의 잔류응력 변화를 확인할 수 있었고, 냉각속도가 완만할수록 잔류응력 경감에 효과적임을 알 수 있었다.
(3) 용접이 끝난 후 공랭하는 열처리방법 보다 일정한 유지시간 및 냉각시간을 가지는 국부 후열 처리법을 사용하는 것이 레일 헤드부 표면 및 용접 깊이 부근에서 잔류응력 경감에 영향을 준다는 것을 확인하였다.
(1) 상온에서 용융점까지 변화되는 온도환경에서 결정입자의 상분율 및 열팽창계수를 사용자 서브루틴을 통하여 적용하였다. 그 결과, 레일 헤드부 표면에서의 인장응력이 압축응력으로 변화됨을 확인할 수 있었고 상변태 고려를 통하여 실제 현상에 더 가까운 잔류응력분포를 얻을 수 있었다.
후열처리를 고려하지 않은 상태에서 압축응력 200 MPa을 받던 레일 헤드부 표면에서는 인장응력 130 - 150 MPa로 변화되었고, 헤드부 표면으로부터 10 mm 깊이에서 잔류응력 상당 부분이 감소 하였다. 이러한 결과로 인하여, 보수용접 후 발생되는 레일 헤드부 표면에서의 잔류 응력은 국부후열처리를 통하여 경감시킬 수 있다는 것을 확인하였다. 그러나 국부 후열처리를 고려한 해석의 경우 비록 온도조건 (600℃, 700℃) 및 지속시간 (1, 2 hour)이 다르더라도 잔류응력 값들은 전반적으로 큰 차이를 보이고 있지 않고 있다.
해석 결과 전체적으로 대류열전달계수가 커질 수록 레일 헤드부 표면의 잔류응력 또한 커지는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 이유는 급랭으로 인한 결정입자의 급작스러운 수축이 소성변형을 유발하기 때문이라고 판단된다.
레일 헤드부 표면의 잔류응력을 비교하면, 후열처리를 고려한 해석결과와 후열처리를 고려하지 않은 해석결과가 서로 다른 양상을 보이고 있다. 후열처리를 고려하지 않은 상태에서 압축응력 200 MPa을 받던 레일 헤드부 표면에서는 인장응력 130 - 150 MPa로 변화되었고, 헤드부 표면으로부터 10 mm 깊이에서 잔류응력 상당 부분이 감소 하였다. 이러한 결과로 인하여, 보수용접 후 발생되는 레일 헤드부 표면에서의 잔류 응력은 국부후열처리를 통하여 경감시킬 수 있다는 것을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	용접 후열처리는 어떻게 나눌 수 있는가?	용접 후열처리는 크게 국부 후열처리와 노내 후열처리로 나눌 수 있다. 철도레일 보수용접의 경우에는 레일의 길이가 수백 km에 달하므로 노내 후열 처리를 수행할 수 없어 국부 후열처리에 대한 시뮬레이션을 수행하였다.
	레일 헤드부 표면 손상을 방치할 경우 레일에 어떤 영향을 끼치는가?	철도차량 운행 중 발생하는 레일 헤드부 표면(Rail Top Surface)의 손상은 소음, 진동의 발생뿐만 아니라 레일의 파손을 야기할 수 있다. 손상을 그대로 방치할 경우 균열로 발달하게 되고 지속적인 성장으로 인해 레일의 강도 저하에 큰 영향을 끼친다. 따라서, 일선 현장에서는 손상이 커지기 전에 그라인더로 손상부위를 넓게 가공하고 용가재를 레일 표면에 융착시키는 육성용접 (Repair Welding)을 통한 보수작업이 이루어지고 있다.
	철도차량 운행 중 발생하는 레일 헤드부 표면의 손상은 무엇을 야기하는가?	철도차량 운행 중 발생하는 레일 헤드부 표면(Rail Top Surface)의 손상은 소음, 진동의 발생뿐만 아니라 레일의 파손을 야기할 수 있다. 손상을 그대로 방치할 경우 균열로 발달하게 되고 지속적인 성장으로 인해 레일의 강도 저하에 큰 영향을 끼친다.

참고문헌 (16)

Skyttebol, A., Josefson, B. L., and Ringsberg, J. W., "Fatigue Crack Growth in a Welded Rail under the Influence of Residual Stresses," Engineering Fracture Mechanics, Vol. 72, No. 2, pp. 271-285, 2005.

상세보기
Venkata, K. A., Kumar, S., Dey, H., Smith, D., Bouchard, P., et al., "Study on the Effect of Post Weld Heat Treatment Parameters on the Relaxation of Welding Residual Stresses in Electron Beam Welded P91 Steel Plates," Procedia Engineering, Vol. 86, pp. 223-233, 2014.

상세보기
Taniguchi, G. and Yamashita, K., "Effects of Post Weld Heat Treatment (PWHT) Temperature on Mechanical Properties of Weld Metals for High-Cr Ferritic Heat-Resistant Steel," Kobelco Technology Review, Vol. 32, pp. 33-39, 2013.
Krasovskyy, A., Sonnichsen, S., and Bachmann, D., "On the Residual Stresses in Multi-Pass Welds: Coupling of Welding Simulation and Fatigue Analysis," Procedia Engineering, Vol. 10, pp. 506-511, 2011.

상세보기
Qian, Y. W. and Zhao, J. P., "Influence of PWHT on the Residual Stress in under-Matching Welded Joint," Procedia Engineering, Vol. 130, pp. 966-972, 2015.

상세보기
Piekarska, W., Kubiak, M., and Saternus, Z., "Numerical Modelling of Thermal and Structural Strain in Laser Welding Process," Archives of Metallurgy and Materials, Vol. 57, No. 4, pp. 1219-1227, 2012.

상세보기
Bae, H.-Y., Kim, J.-H., Kim, Y.-J., Oh, C.-Y., Kim, J.-S., et al., "Sensitivity Analysis of Finite Element Parameters for Estimating Residual Stress of JGroove Weld in RPV CRDM Penetration Nozzle," The Korean Society of Mechanical Engineers A, Vol. 36, No. 10, pp. 1115-1130, 2012.

원문보기 상세보기
Lee, S.-H., Kim, S. H., Chang, Y.-S., and Jun, H. K., "Fatigue Life Assessment of Railway Rail Subjected to Welding Residual and Contact Stresses," Journal of Mechanical Science and Technology, Vol. 28, No. 11, pp. 4483-4491, 2014.

상세보기
Jun, H.-K., Seo, J.-W., Jeon, I.-S., Lee, S.-H., and Chang, Y.-S., "Fracture and Fatigue Crack Growth Analyses on a Weld-Repaired Railway Rail," Engineering Failure Analysis, Vol. 59, pp. 478-492, 2016.

상세보기
Deng, D. and Murakawa, H., "Numerical Simulation of Temperature Field and Residual Stress in Multi-Pass Welds in Stainless Steel Pipe and Comparison with Experimental Measurements," Computational Materials Science, Vol. 37, No. 3, pp. 269-277, 2006.

상세보기
Ringsberg, J. W. and Lindback, T., "Rolling Contact Fatigue Analysis of Rails Including Numerical Simulations of the Rail Manufacturing Process and Repeated Wheel Rail Contact Loads," International Journal of Fatigue, Vol. 25, No. 6, pp. 547-558, 2003.

상세보기
Cai, Z., Nawafune, M., Ma, N., Qu, Y., Cao, B., et al., "Residual Stresses in Flash Butt Welded Rail," Transactions of JWRI, Vol. 40, No. 1, pp. 79-87, 2011.

상세보기
Chen, Y. C., Chen, L. W., Lee, S. Y., and Kuang, J. H., "A Wheel and a Corrugated Rail Thermal Contact Simulation During Braking Sliding," Proc. of 12th International Federation for the Promotion of Mechanism and Machine Science World Congress, pp. 18-21, 2007.
Popov, V., Psakhie, S., Shilko, E., Dmitriev, A., Knothe, K., et al., "Friction Coefficient in Rail Wheel Contacts as a Function of Material and Loading Parameters," Physical Mesomechanics, Vol. 5, No. 3, pp. 17-24, 2002.

상세보기
Yan, Z., Zhao, R., Duan, F., Teck, N. W., Toh, K. C., et al., "Spray Cooling," Two Phase Flow, Phase Change and Numerical Modeling, pp. 285-310, 2011.
Korean Standards Association, "Methods of Post Weld Heat Treatment," Korea Agency for Technology and Standards, KS B 0954, 2007.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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