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LS-DYNA를 이용한 금속 및 암석 재료의 파괴인성시험 모델링
Modeling of Fracture Toughness Test Procedures for Metal and Rock Materials using LS-DYNA 원문보기

화약·발파 = Explosives & blasting, v.35 no.1, 2017년, pp.27 - 33  

최병희 (한국지질자원연구원 책임연구원) ,  류창하 (한국지질자원연구원 책임연구원)

초록
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본 연구에서는 상용 해석코드인 LS-DYNA 상에서 선택된 금속과 암석을 대상으로 파괴인성시험 과정을 모델링하였다. 이 시험은 각봉의 3점 휨 시험을 토대로 한 것이다. 이 시험을 수행하는 데에는 비교적 긴 시간이 소요되므로 해석과정에서는 Newmark 법을 사용하는 묵시적 해석법을 채택하였다. 본 해석을 통해 얻은 응력확대계수의 값은 금속과 암석의 경우에 각기 $73MPa.m^{0.5}$과 $0.3MPa.m^{0.5}$이었다. 암석 재료모델의 파괴인성 값이 이렇게 작게 나타난 것은 작성된 재료모델이 암석의 특징적인 성질인 취성을 잘 표현하고 있다는 의미이다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this study, two fracture toughness test procedures are modelled for selected metal and rock on LS-DYNA, which is a commercial finite element code. The tests are conducted by using the 3-point bend test procedure for rectangular bar specimen. Because it takes a relatively long time to conduct the ...

주제어

#파괴인성   #묵시적 해석기   #응력확대계수   #취성  

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

가설 설정

  • LS-DYNA 재료모델은 앞에서 기술한 단순화된 Johnson-Cook 모델(LSTC, 2015)로서 표 1에 정리하 였으며, 파괴기준은 등가소성변형률 0.18(연신률)로설정하였다. 해석방법은 해석시간을 고려하여 묵시적 해석법(Newmark 법)을 적용하였다.
  • 균열의 규격은 길이 a0 = 27 mm, 균열폭 4 mm이다. 암석시편의 재질은 밀도 2600 kg/m3, 체적탄성계수 85 GPa, 강성률 6.36 GPa(영률 17.8 GPa, 포아송비 0.2), 압축강도 113 MPa, 인장강도 11.3 MPa, 파괴인성 1~2 MPa.m0.5 (예상치)이다. LS-DYNA 재료모델은 HJC Concrete 모델(표 2)이며, 콘크리트와 암석 등의 취성재료의 모델링에 많이 쓰이는 재료모델이다.
  • LS-DYNA 상에서 구조용 강(연강)을 모델링할 수있는 재료모델에는 여러 가지가 있으나 본 해석에서는 탄소성 해석과 변형률속도 효과를 모사할 수 있는 단순화된 Johnson-Cook 재료모델을 사용하였다. 이단순화된 재료모델에서는 열적효과나 손상효과는 무시된다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
파괴인성 시험은 무엇이며, 모델링을 위한 요구 조건은 무엇인가? 파괴인성 시험은 정적 시험이며, 이런 느린 과정을 모델링하기 위해서는 긴 해석시간(10분 이상)이 필요 하다. 따라서 본 연구에서는 LS-DYNA가 별도로 제공하는 묵시적 해석법(Newmark 법)을 적용하여 모델링 작업을 수행하였다.
취성재료란 무엇인가? 취성재료는 파괴과정 중에 에너지 흡수량이 적은 재료로 정의할 수 있으며(Hertzberg et al., 2013), 이러한 재료의 성질을 인성(toughness)이라 한다.
하이드로코드의 일종인 LS-DYNA는 기본적으로 어떤 방법을 채택하고있는가? 하이드로코드에서의 시간적분 방식에는 명시적 방식과 묵시적 방식이 있다. LS-DYNA는 기본적으로 명시적 방법(중앙차분법)을 채택하고 있으나 묵시적 해석(Newmark 법 등)도 지원하고 있다. 공간분할 방식으로는 점(point)을 기본으로 하는 유한차분법(FDM) 과 요소(element)를 기본으로 하는 유한요소법(FEM) 이 있다.
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참고문헌 (6)

  1. 김엄기, 오범석, 남승훈, 전성식, 2007, 재료강도시험법, 두양사, pp.139-154. 

  2. 윤지선 역, 1991, 암석. 암반의 조사와 시험, 구미서관, pp.579-587. 

  3. Hertzberg, R.W., R.P. Vinci, and J.L. Hertzberg, 2013, Deformation and Fracture Mechanics of Engineering Materials, 5th ed., John Wiley & Sons, Inc. 

  4. Holmquist, T.J., G.R. Johnson, and W.H. Cook, 1993, "A computational constitutive model for concrete subjected to large strains, high strain rates, and high pressures", Proceedings 14th Int. Symp. on Ballistics, Quebec, Canada, pp.591-600. 

  5. Li, H. and G. Shi, 2016, A dynamic material model for rock materials under conditions of high confining pressures and high strain rates, Int J Impact Eng 89, pp.38-48. 

    상세보기 crossref

  6. LSTC (Livermore Software Technology Corporation), 2015, LS-DYNA Keyword User's Manual, Livermore, CA. 

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