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초록
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고망간강은 저온환경에서 강도 및 내구성 측면에서 우수한 기계적 성질을 가지고 있다. 최근 고망간강은 우수한 강도와 내구성을 바탕으로 LNG 화물창내에서 사용되는 SUS강, 니켈강의 대체재로 고려되고 있다. 이러한 연구의 일환으로, 본 연구에서는 고망간강의 기계적 물성치와 비선형 거동을 조사하기 위해 상온/극저온(-110K)에서 인장시험을 수행하였다. 또한 재료의 거동을 모사하기 위해 수정된 탄-소성 손상모델을 ABAQUS가 제공하는 사용자지정 재료 서브루틴(UMAT)에 유한요소 정식화과정을 거쳐 탑재하였다. 마지막으로 UMAT을 적용한 유한요소해석을 수행하였고 제안된 UMAT의 유효성 검증을 위해 해석결과를 인장시험 결과와 비교하였다. 그 결과, 제안된 UMAT은 고망간강의 비선형 거동을 효과적으로 모사함을 확인하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

High manganese steel exhibits excellent mechanical properties with respect to strength and durability at low temperatures. Recently, high manganese steel has been considered as an alternative to existing materials, such as nickel steel and SUS304L for application as tank material for Liquefied Natur...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 유한요소해석 결과는 인장시험 결과와 비교하였고고망간강의 비선형 거동을 효과적으로 모사함을 확인하였다. 또한 구멍노치 인장시험을 추가적으로 수행하여 수정된 손상모델의 유효성을 검증하였습니다.
  • 본 연구에서는 탄-소성 손상모델을 활용하여 고망간강의 비선형 거동을 유한요소해석을 통해 모사하였다. 이를 위해 고망간강의 인장시험을 수행하여 기계적 물성치를 획득하였다.
  • 이와 같은 방법으로 본 연구에서는 고망간강의 비선형거동을 효과적으로 모사하기 위해 탄-소성 손상모델을 활용한 유한요소해석을 수행하였다. 이를 위해 먼저 상온/극저온(110K) 인장시험을 수행하여 기계적 물성을 획득하고 비선형거동을 확인하였다.

가설 설정

  • Step 1: 변형률과 시도응력(Trial stress)을 아래와 같이 나타낸다. 초기에는 순수탄성영역으로 손상변수 D와 내부변수 R의 성장은 발생하지 않는다고 가정한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
고망간강의 기계적 물성치와 비선형 거동을 조사하기 위해 무엇을 하였는가? 최근 고망간강은 우수한 강도와 내구성을 바탕으로 LNG 화물창내에서 사용되는 SUS강, 니켈강의 대체재로 고려되고 있다. 이러한 연구의 일환으로, 본 연구에서는 고망간강의 기계적 물성치와 비선형 거동을 조사하기 위해 상온/극저온(-110K)에서 인장시험을 수행하였다. 또한 재료의 거동을 모사하기 위해 수정된 탄-소성 손상모델을 ABAQUS가 제공하는 사용자지정 재료 서브루틴(UMAT)에 유한요소 정식화과정을 거쳐 탑재하였다.
고망간강은 어떤 강을 대체할 수 있는가? 한편 고망간강은 TWIP(TWinning Induced Plasticity) 강재로 충격에너지 흡수량이 높아 자동차, 건설 분야에서는 이미 널리 사용되고 있다. 이와 더불어 LNG 저장탱크 내의 강재로 활용되고 있는 SUS강, Nickel강을 대체할 수 있는 재료로 각광받고 있으며 극저온환경에서 높은 강도와 저렴한 가격이 장점이다[7]. 그러나 당장 적용되기에는 극저온환경에서의 거동과 관련된 연구가 부족한 실정이다.
고망간강의 특징은 무엇인가? 고망간강은 저온환경에서 강도 및 내구성 측면에서 우수한 기계적 성질을 가지고 있다. 최근 고망간강은 우수한 강도와 내구성을 바탕으로 LNG 화물창내에서 사용되는 SUS강, 니켈강의 대체재로 고려되고 있다.
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참고문헌 (17)

  1. J. Lemaitre, "A continuous damage mechanics model for ductile fracture," Journal of Engineering Materials and Technology, vol. 107, no. 1, pp. 83-89, 1985. 

  2. P. O. Bouchard, L. Bourgeon, S. Fayolle, and K. Mocellin, "An enhanced Lemaitre model formulation for materials processing damage computation," International Journal of Material Forming, vol. 4, no. 3, pp. 299-315, 2011. 

  3. D. Kujawski, "Enhanced model of partial crack closure for correlation of R-ratio effects in aluminum alloys," International Journal of Fatigue, vol. 23, no. 2, pp. 95-102, 2011. 

  4. W. H. Tai and B. X. Yang, "A new microvoid-damage model for ductile fracture," Engineering Fracture Mechanics, vol. 25, no. 3, pp. 377-384, 1986. 

  5. S. Chandrakanth and P. C. Pandey, "An isotropic damage model for ductile material," Engineering Fracture Mechanics, vol. 50, no. 4, pp. 457-465, 1995. 

  6. E. A. De Souza neto, "A fast, one-equation integration algorithm for the Lemaitre ductile damage model," Communications in Numerical Methods in Engineering, vol. 18, no. 8, pp. 541-554, 2002. 

  7. J. S. Lee, K. S. Kim, Y. I. Kim, C. H. Yu, J. I. Park, and B. H. Kang, "Fatigue strength assessment of high manganese steel for LNG CCS," Journal for the Society of Naval Architects of Korea, vol. 51, no. 3, pp. 246-253, 2014. 

  8. K. Y. Lee, T. H. Kim, and H. I. Lee, "Acquirement of True Stress-strain Curve Using True Fracture Strain Obtained by Tensile Test and Fe Analysis," The Korean Society of Mechanical Engineers A, vol. 33, no. 10, pp. 1054-1064, 2009. 

  9. S. K. Kim, C. S. Lee, J. H. Kim, M. H. Kim, and J. M. Lee, "Computational evaluation of resistance of fracture capacity for SUS304L of liquefied natural gas insulation system under cryogenic temperatures using ABAQUS user-defined material subroutine," Materials & Design, vol. 50, pp. 522-532, 2013. 

  10. S. K. Kim, J. H. Kim, M. H. Kim, and J. M. Lee, "Numerical model to predict deformation of corrugated austenitic stainless steel sheet under cryogenic temperatures for design of liquefied natural gas insulation system," Materials & Design, vol. 57, pp. 26-39, 2014. 

  11. S. K. Kim, C. S. Lee, J. H. Kim, M. H. Kim, B. J. Noh, and J. M. Lee, "Estimation of fatigue crack growth rate for 7% nickel steel under room and cryogenic temperatures using damage-coupled finite element analysis," Materials, vol. 5, no. 2, pp. 603-627, 2015. 

  12. S. S. Sohn, S. M. Hong, J. H. Lee, B. C. Suh, S. K. Kim, and B. J. Lee, "Effects of Mn and Al contents on cryogenic-temperature tensile and Charpy impact properties in four austenitic high-Mn steels," Acta Materialia, vol. 100, pp. 39-52, 2015. 

  13. N. Aravas, "One the numerical integration of a class of pressure-dependent plasticity," International Journal for Numerical Methods in Engineering, vol. 24, no. 7, pp. 1395-1416, 1987. 

  14. K. Jin, X. Guo, J. Tao, H. Wang, N. Kim, and Y. Gu, "A model of one-surface cyclic plasticity with Lemaitre damage criterion for plastic instability prediction in the incremental forming process," International Journal of Mechanical Sciences, vol. 114, pp. 88-97, 2016. 

  15. P. Hu, D. Shi, L. Ying, G. Shen, and W. Liu, "The finite element analysis of ductile damage during hot stamping of 22MnB5 steel," Materials & Design, vol. 69, pp. 141-152, 2015. 

  16. M. Mashayekhi, S. Ziaei-Rad, J. Parvizian, J. Nikbin, and H. Hadavinia, "Numerical analysis of damage evolution in ductile solids," Structural Integrity & Durability, vol. 1, no. 1, pp. 67-82, 2005. 

  17. D. Anderson, S. Winkler, A. Bardelcik, and M. J Worswick, "Influence of stress triaxiality and strain rate on the failure behavior of a dual-phase DP780 steel," Materials & Design, vol. 60, pp. 198-207, 2014. 

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