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제안 방법
- 이축하중 하의 얕은균열이 삽입된 십자형 시편의 파괴인성 실험결과와 함께 3차원 탄성 및 탄소성 유한요소해석(finite element analysis)을 수행하였으며, 본 연구에서 사용된 십자형시편의 시편형상 계수 함수를 도출하여 SA508 Gr. 3 재료의 연성취성 천이데이터와 파괴인성 특성을 비교하였다. 또한, 유한요소해석 결과를 바탕으로 십자형 시편의 형상과 하중에 따른 구속효과를 검토하였다.
- 3재료의 온도별 인장 데이터중 T= -80, -100°C인 재료물성을 이용하여 유한요소 해석을 수행하였다.
- Hohe(5) 등도 10 × 20mm 크기의 시편을 이용하여 파괴인성 시험과 유한요소해석을 수행하였다.
- ORNL(3)(Oak Ridge National Laboratory)에서는 100 × 100mm 단면 크기를 가지는 4T 십자형 굽힘시편(CBS, cruciform bend specimen)을 이용하여 A533B재료에 대해 파괴인성 및 구속효과를 평가연 구를 수행하였으며, Link(4) 등은 더 작은 크기인 50×50mm 단면크기를 가지는 십자형 시편을 이용하여 같은 재료에 대해 구속효과를 평가하였다.
- a/ W= 0.3인 십자형 시편을 T= -80°C, -100°C, -120°C의 3가지 온도에서 각 3개씩 준비하여 파괴인성시험을 수행하였다.
- 그림 3은 십자형시편의 1/4 유한요소 모델로, 지지점, 압입자, 균열을 잘 나타내도록 그림 1의 시편형상을 뒤집은 형태로 나타내었다. 균열선단은 집중쐐기형(focused wedge type) 요소를 사용하 였으며 균열선단 특이성을 모사하기 위해 중간 절점을 균열선단으로부터 1/4 지점으로 이동하였다. 5개의 contour를 이용하여 유한요소모델을 검증한 결과 탄성 J-integral 값이 경로독립성을 유지함을 확인하 였다.
- 균열선단의 삼축응력 h와 (Javg/(aσ0))를 PCVN 시편과 십자형 시편에 대해 비교하였다.
- 15mm/min 속도로 중앙부의 크로스헤드(cross-head)가 압입되도록 수행하였으며 액체질소가 충진된 챔버를 이용하여 시험온도(T= -80°C, -100°C, -120°C)를 조절하였다. 균열열림변위(crack mouth opening displacement, CMOD)는 클립게이지를 이용하여 측정되었다.
- 그러나 본 연구에서 HRR 응력 장에서의 참조값 (σθθ)HRR은 평면변형률 조건이므로 3차원 구조물에 대한 Q-stress의 적용을 위해 3축응력 파라메터를 다음과 같이 도입하여 면외(out-of-plane) 구속효과를 정량화하였다.
- 시편 중앙에는 8mm 크기의 볼이 시편의 뒷면으로부터 균열이 있는 앞면으로 하중을 가하게 되며 4개의 지지점으로부터 압축하중에 대한 반발력이 생기게 된다. 길이방향의 축(균열열림을 위한 하중 축)과 횡축에는 굽힘변위에 의한 과도한 구속을 피하기 위하여 각 leg에 하중분산홈을 3개씩 삽입하였으며, 홈 중앙에는 너비가 0.5mm가 되도록 기계방전가공(electro discharging machining)을 하였다. 중앙의 균열은 노치를 2mm 생성한 후 피로균열을 성장시켰다.
- 3 재료의 연성취성 천이데이터와 파괴인성 특성을 비교하였다. 또한, 유한요소해석 결과를 바탕으로 십자형 시편의 형상과 하중에 따른 구속효과를 검토하였다.
- 5인 십자형 시편에 대해 3차원 유한요소해석을 수행하여 비표준 시편인 십자형 시편에 적합한 형상함수를 도출하였다. 또한, 파괴인성 시험과 유한요소해석을 통해 십자형 시편의 참조온도 T0와 파괴인성 KJc를 도출하였고 이를 PCVN시편과 비교하였으며 구속조건을 평가하였다. 주요 결론은 다음과 같다.
- 기본적인 시편의 형상은 ORNL과 Link의 시편형상을 참조하였다. 본 연구에서는 SE(B) 3점 굽힘 하중 시편을 기본으로 두 개의 추가적인 하중 축과 12개의 하중분산홈(load-diffusion slot)들을 고려하였다. 십자형 시편에는 a/ W= 0.
- 본 연구에서는 SE(B)시편을 수정하여 10×10mm 단면을 갖는 십자형 시편을 제작하였다.
- 피로균열성장 과정에서 십자형 시편의 균열 성장은 그 구조상 SE(B)시편과 달리 육안검사(visual inspection)가 어렵다. 본 연구에서는 상온 예비실험을 통해 식 (1)과 같은 관계를 이용하여 균열 성장량을 결정짓는 파라메터를 도출하였다.
- 본 연구에서는 소형 십자형 시편을 설계하고 제작하였으며, 균열 크기가 a/ W=0.1, 0.3, 0.5인 십자형 시편에 대해 3차원 유한요소해석을 수행하여 비표준 시편인 십자형 시편에 적합한 형상함수를 도출하였다. 또한, 파괴인성 시험과 유한요소해석을 통해 십자형 시편의 참조온도 T0와 파괴인성 KJc를 도출하였고 이를 PCVN시편과 비교하였으며 구속조건을 평가하였다.
- 유한요소모델에 사용된 요소(element)수는 27,244개이며 절점(node)수는 121,535개이다. 시편은 변위제어(displacement control)를 하였으며 하중 지지점과 크로스헤드는 강체(rigid body)로 모델링 하였다. 접촉조건(contact condition)은 모든 모델에 self-contact 조건을 적용하였고, 탄소성 해석에서는 비선형 형상(non-linear geometry)을 고려하도록 하였다.
- 시편은 준정적조건(quasi-static)에서 0.15mm/min 속도로 중앙부의 크로스헤드(cross-head)가 압입되도록 수행하였으며 액체질소가 충진된 챔버를 이용하여 시험온도(T= -80°C, -100°C, -120°C)를 조절하였다.
- 시편의 소성항복을 평가하기 위하여는 균열부근의 소성발달을 살펴볼 필요가 있으므로 유한요소해석을 통해 a/ W= 0.3이고 시험온도가 -100°C인 경우에 대하여 소성영역이 균열선단으로부터 시편의 반대면까지 확장될 때 까지를 검토하였다.
- 3인 십자형 시편을 T= -80°C, -100°C, -120°C의 3가지 온도에서 각 3개씩 준비하여 파괴인성시험을 수행하였다. 시험으로부터 얻어지는 균열열림변위 및 하중곡선과 식 (4~5)와 같이 얻어진 형상함 수를 이용하여 각 온도에서의 KJc를 계산하였으며, 벽개파괴 개시시점에서의 유한요소해석 J-integral 데이터와 시험결과의 비교를 통해 KJc를 결정하였다. 사용된 탄성계수의 평면변형률 조건은 다음과 같다.
- , η은 하중-변위 곡선(loaddisplacement curve)의 하부 영역의 크기, 초기 탄성 기울기의 상수, 소성보정인자이다. 십자형시편의 소성보성인자는 유한요소해석을 통해 결정되었다.
- 유한요소해석에서는 균열깊이가 구속효과에 미치는 영향을 분석하고 십자형 시편의 형상함수를 얻기 위해 a/ W= 0.1, 0.3, 0.5인 3가지 균열 깊이를 고려하였다. 유한요소해석은 상용프로그램인 ABAQUS(6)를 사용하였다.
- 파괴인성 실험은 MTS 810 재료시험기를 이용하였 으며, 십자형 시편의 형상에 맞게 지그(jig)를 제작하 였다. 시편은 준정적조건(quasi-static)에서 0.
- 여기서, a, η, C는 균열깊이, 무차원 소성상수, 컴플라이언스이다. 피로균열은 균열 성장을 좀 더 쉽게 추정하기 위하여 일축하중상태에 수행하였다. 그림2는 파괴인성 실험후의 파면을 나타낸 것으로 균열깊이가 약 3mm로 a/ W= 0.
대상 데이터
- 5개의 contour를 이용하여 유한요소모델을 검증한 결과 탄성 J-integral 값이 경로독립성을 유지함을 확인하 였다. 유한요소모델에 사용된 요소(element)수는 27,244개이며 절점(node)수는 121,535개이다. 시편은 변위제어(displacement control)를 하였으며 하중 지지점과 크로스헤드는 강체(rigid body)로 모델링 하였다.
이론/모형
- 본 연구에서는 십자형 시편의 구속조건을 살펴보기 위하여 Q-stress(7)를 도입하였다.
- 5인 3가지 균열 깊이를 고려하였다. 유한요소해석은 상용프로그램인 ABAQUS(6)를 사용하였다. 그림 3은 십자형시편의 1/4 유한요소 모델로, 지지점, 압입자, 균열을 잘 나타내도록 그림 1의 시편형상을 뒤집은 형태로 나타내었다.
- 시편은 변위제어(displacement control)를 하였으며 하중 지지점과 크로스헤드는 강체(rigid body)로 모델링 하였다. 접촉조건(contact condition)은 모든 모델에 self-contact 조건을 적용하였고, 탄소성 해석에서는 비선형 형상(non-linear geometry)을 고려하도록 하였다. 2장에서 언급한 형상함수를 결정하기 위하여 그림 4와 같이 SA508 Gr.
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