다단계 피로하중 실험을 통한 균열 발생 및 전파단계에서 파괴모드 II 영향 분석 Effects of Failure Mode II on Crack Initiation and Crack propagation Steps Using Multilevel Fatigue Loading Test원문보기
본 연구는 균열 발생 및 전파단계에서 하중모드 II의 영향을 평가하기 위해 피로균열 하한계 영역의 혼합모드 I+II 하중을 통해 실험적으로 평가하였다. 균열 발생단계(Stage I)에서는 혼합모드상태에서 하중작용 각도(${\theta}$)가 증가할수록 모드 II 영향으로 인하여 낮은 하중에서 균열이 발생하고, 균열 전파단계 (Stage II)에서는 균열전파 속도는 감소하였다. 다단계 하중작용 각도변화에 따른 하중모드 II영향은 균열전파단계 실험을 통해 평가하였다. 혼합모드 I+II 하중 작용 시 작용각도 ($0^{\circ}{\rightarrow}{\theta}{\rightarrow}60^{\circ}$) 증가에 따라 피로균열전파속도는 감소하였으며 늦게 발생한 균열에서도 마찬가지로 감소하였다. 작용각도가 ${\theta}{\geq}75^{\circ}$ 범위에서는 하중작용각도 증가에 따라 피로균열전파속도가 증가하고 피로수명이 감소하는 것을 확인하였다.
본 연구는 균열 발생 및 전파단계에서 하중모드 II의 영향을 평가하기 위해 피로균열 하한계 영역의 혼합모드 I+II 하중을 통해 실험적으로 평가하였다. 균열 발생단계(Stage I)에서는 혼합모드상태에서 하중작용 각도(${\theta}$)가 증가할수록 모드 II 영향으로 인하여 낮은 하중에서 균열이 발생하고, 균열 전파단계 (Stage II)에서는 균열전파 속도는 감소하였다. 다단계 하중작용 각도변화에 따른 하중모드 II영향은 균열전파단계 실험을 통해 평가하였다. 혼합모드 I+II 하중 작용 시 작용각도 ($0^{\circ}{\rightarrow}{\theta}{\rightarrow}60^{\circ}$) 증가에 따라 피로균열전파속도는 감소하였으며 늦게 발생한 균열에서도 마찬가지로 감소하였다. 작용각도가 ${\theta}{\geq}75^{\circ}$ 범위에서는 하중작용각도 증가에 따라 피로균열전파속도가 증가하고 피로수명이 감소하는 것을 확인하였다.
To evaluate the effects of mode II on the crack initiation and propagation stages, the effects in the fatigue threshold region under a mixed-mode I+II loading state was experimentally investigated. In the case of mixed-mode I + II, during the crack initiation stage, as the loading application angle ...
To evaluate the effects of mode II on the crack initiation and propagation stages, the effects in the fatigue threshold region under a mixed-mode I+II loading state was experimentally investigated. In the case of mixed-mode I + II, during the crack initiation stage, as the loading application angle (${\theta}$) increased, cracks occurred in the lower load owing to the effects of mode II, while the crack propagation rate decreased. The effects of mode II were experimentally investigated in the crack propagation stage by means of multilevel loading direction variation. Following mixed-mode I+II ($0^{\circ}{\rightarrow}{\theta}{\rightarrow}60^{\circ}$), as the load application angle increased, the fatigue crack propagation rate decreased, as did the fatigue crack propagation rate, which occurred later. Following mixed-mode I + II in case of(${\theta}{\geq}75^{\circ}$), the fatigue crack propagation rate was found to increase, while the fatigue life decreased.
To evaluate the effects of mode II on the crack initiation and propagation stages, the effects in the fatigue threshold region under a mixed-mode I+II loading state was experimentally investigated. In the case of mixed-mode I + II, during the crack initiation stage, as the loading application angle (${\theta}$) increased, cracks occurred in the lower load owing to the effects of mode II, while the crack propagation rate decreased. The effects of mode II were experimentally investigated in the crack propagation stage by means of multilevel loading direction variation. Following mixed-mode I+II ($0^{\circ}{\rightarrow}{\theta}{\rightarrow}60^{\circ}$), as the load application angle increased, the fatigue crack propagation rate decreased, as did the fatigue crack propagation rate, which occurred later. Following mixed-mode I + II in case of(${\theta}{\geq}75^{\circ}$), the fatigue crack propagation rate was found to increase, while the fatigue life decreased.
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문제 정의
본 연구에서는 균열발생단계(Stage I)와 균열전파 단계(Stage II)에서 변동하중상태로 인한 피로균열 전파거동에서의 모드 II의 영향에 대해 고찰하였다. 혼합모드 하중 하에서 균열이 발생, 전파하면 균열전파단계(Stage II)에서 하중모드 II 성분이 작용하지만 하중모드 I 성분의 영향이 지배적인 것으로 알려져 있다.
실험조건은 크게 두 가지로 분류하였다. 실험의 유용성과 균열발생단계에서 하중모드 II 영향을 고찰하기 위한 실험과 다단계 하중방향 변화에 의한 피로균열 전파거동에서 하중모드 II 영향을 평가하기 위한 실험이다. 먼저 균열발생단계에서의 실험은 (i) 모드 I 하한계(4)의 경우 응력비 R을 고정하고, 일정하중 하에서 균열이 0.
제안 방법
혼합모드 하중 하에서 균열이 발생, 전파하면 균열전파단계(Stage II)에서 하중모드 II 성분이 작용하지만 하중모드 I 성분의 영향이 지배적인 것으로 알려져 있다.(2) 또한 일반적인 실험을 통해 모드II 하중에 대한 평가는 쉽지 않기 때문에 본 연구에서는 혼합하중의 영향을 평가하기 위하여 혼합모드 I + II 하중 하에서 균열 발생 및 전파에 대한 모드 II 하중의 영향을 확인하고 변동하중에 대한 모드 II의 영향을 확인하기 위하여 혼합모드 II 하중 이후의 모드 I 상태의 피로균열 전파거동을 확인하였다. 이를 위해 하중작용 방향을 순차적으로 변화시키는 다단계 하중(Multilevel Loading) 실험을 통해서 순수 모드 I 상태에서의 피로 균열 전파 거동과 다단계 하중에 의한 혼합모드 I + II와 모드 II 상태에서의 피로 균열 전파 거동을 비교함으로써 모드 II가 피로 균열 전파 거동에 미치는 영향을 고찰하였다.
(ii) 혼합모드 I + II 하한계(3)의 경우 ΔKII/ΔKI의 비와 응력비 R을 고정하고, 일정 하중 하에서 2 x 105 cycle까지 적용한 후 균열전파를 확인할 수 없을 때 하중 증가 시험법(loading increasing technique)을 사용하여 실험을 수행하였다.
(iv) 0˚→90˚→0˚와 같이 모드 I 상태(0˚)에서 혼합모드 I+II 상태(30˚, 60˚, 75˚)와 모드 II 상태(90˚)로 각각 4 x 104 cycle 동안 실험을 수행한 후 다시 모드 I 상태로 하중을 부가하여 다단계 하중방향에 따른 하중모드 II의 영향을 평가하였다.
다양한 설계조건에 따른 복잡한 하중(모드 I→ 혼합모드 I + II 또는 모드 II → 모드 I)이 피로 수명에 미치는 영향을 확인하기 위하여 다단계 피로 하중에 의한 피로균열 전파거동을 확인하였다. Table 3에서 보는 바와 같이 각각의 하중 Case에 대한 단계별(Stage I, II, III) 실험을 통해 비교함으로써 혼합모드 I + II와 모드 II 하중상태 이후에 작용하는 모드 I의 피로균열전파속도를 통하여 피로균열 전파거동에서의 모드 II의 영향을 확인하였다.
균열전파단계(Stage II)에서 피로균열전파속도 비교를 통한 하중모드 II 영향에 대해 검토하였다. Fig.
다양한 설계조건에 따른 복잡한 하중(모드 I→ 혼합모드 I + II 또는 모드 II → 모드 I)이 피로 수명에 미치는 영향을 확인하기 위하여 다단계 피로 하중에 의한 피로균열 전파거동을 확인하였다.
다음은 다단계 하중방향 변화에 대한 피로균열 전파거동 실험으로 하중작용모드는 하중장치의 하중작용각도(θ)를 조절하여 변화시켰다.
본 실험에서의 하중 작용모드는 하중장치의 하중작용각도(θ)를 조절하여 실험을 수행하였다.
시험편은 Richard와 Benitz(2,3)의 모델을 기본으로 하여 제작된 것으로 높은 혼합비의 실험 시 하중전달의 정확성과 실험의 안정성을 확보하기 위하여 하중장치 체결부와 노치가 가공되는 평형부가 수정되었다. 하중장치를 이용하여 균열선단에 작용하는 하중의 방향을 변화시킴으로써 인장하중과 전단하중의 작용비율을 조절하여 작용모드를 변화시켰다.
예비균열선단에 모드 I과 혼합모드 I+II 하중 상태에서 피로 하한계 ΔKth를 확인하였다.
(2) 또한 일반적인 실험을 통해 모드II 하중에 대한 평가는 쉽지 않기 때문에 본 연구에서는 혼합하중의 영향을 평가하기 위하여 혼합모드 I + II 하중 하에서 균열 발생 및 전파에 대한 모드 II 하중의 영향을 확인하고 변동하중에 대한 모드 II의 영향을 확인하기 위하여 혼합모드 II 하중 이후의 모드 I 상태의 피로균열 전파거동을 확인하였다. 이를 위해 하중작용 방향을 순차적으로 변화시키는 다단계 하중(Multilevel Loading) 실험을 통해서 순수 모드 I 상태에서의 피로 균열 전파 거동과 다단계 하중에 의한 혼합모드 I + II와 모드 II 상태에서의 피로 균열 전파 거동을 비교함으로써 모드 II가 피로 균열 전파 거동에 미치는 영향을 고찰하였다.
의 모델을 기본으로 하여 제작된 것으로 높은 혼합비의 실험 시 하중전달의 정확성과 실험의 안정성을 확보하기 위하여 하중장치 체결부와 노치가 가공되는 평형부가 수정되었다. 하중장치를 이용하여 균열선단에 작용하는 하중의 방향을 변화시킴으로써 인장하중과 전단하중의 작용비율을 조절하여 작용모드를 변화시켰다. 하중작용각도(θ)가 0°인 경우는 모드 I인 상태를, 90°인 경우는 모드 II인 상태를 나타낸다.
대상 데이터
본 연구에서 사용된 시험기는 전기 유압식 인장-압축피로 시험기인 Instron 1331이다. 피로하중의 형태는 일정 진폭의 인장-인장 하중상태이고,응력비(R)는 0.
본 연구에서는 모드 I과 혼합모드 I + II 하중 상태 하에서 피로 하한계에 대한 고찰을 위하여 필요한 하중모드의 변화가 용이하도록 수정 단순인장전단(Modified Compact Tension Shear : CTS) 시험편과 하중장치를 사용하였다. CTS 시험편과 하중 장치의 치수와 형상은 Fig.
실험에 사용된 재료는 KS D 3519에 규정된 자동차 구조용 열간 압연강판(SAPH440)이다. 주로 차체 하부구조의 강도를 유지하는 자동차의 프레임 및 차륜의 상하방향 지지와 강성을 유지하는 현가장치의 상하 암에 사용된다.
이론/모형
혼합모드 하중에서 피로균열은 모드 I이 지배적인 상황에서 전파를 하지만 모드 II 성분이 없어지는 것은 아니다. 따라서 초기 균열평면상의 임의 지점에 위치하는 균열에 대한 균열전파속도의 평가를 위하여 KI과 KII를 조합한 유효응력확대계수(Keff)가 도입되었으며, 이에 대한 산출에는 Tanaka(5)가 제안한 식이 이용되었다.
5, 주파수의 크기는 10 Hz, 주파수의 파형은 sine파형이다. 피로 균열의 측정은 균열 이미지 캡쳐링 시스템을 사용하였다. 본 실험에서의 하중 작용모드는 하중장치의 하중작용각도(θ)를 조절하여 실험을 수행하였다.
본 연구에 사용된 수정 CTS 시험편의 응력확대 계수식은 편측노치 인장시험편의 모드 I 응력확대 계수와 하중작용각도의 변화에 의해 발생하는 혼합모드에서의 응력확대계수를 포함하여야 한다. 하중작용각도의 변화에 대한 응력확대계수 KI과 KII는 Richard와 Benitz가 제안한 아래의 식을 이용하여 계산하였다. 응력확대계수식은 형상보정계수인 fI(a/W), fII(a/W)가 하중작용각도(θ)와 대체로 독립적이어서 공통의 함수로 나타낼 수 있다.
성능/효과
(2) 다단계 하중방향 변화에 의한 피로균열 전파거동 양상은 혼합모드 I + II 상태와 모드 II 상태인 Stage II에 의해 Stage III 단계에서 피로균열전파속도에 영향을 미친다.
(7) 그러나, 본 실험에 의하면 Case IV의 경우 Stage II에서는 균열전파가 전혀 일어나지 않았지만, 그 이후 모드 I 하중작용시 발생한 피로균열전파속도는 오히려 증가하는 것으로 확인되었다. Table 6에서 보는 바와 같이 혼합모드하중 또는 모드 II 하중이 작용한 이후 균열전파 속도는 모드 I 하중이 계속 작용하는 경우보다 피로균열전파속도는 감소하지만 하중작용각도 θ에 따라 차이가 발생함을 확인하였다.
선도에서의 m을 비교해 본 결과 모드 II 이후의 Stage III에서의 피로균열전파속도는 혼합모드 I+II 하중 이후 나타난 Stage III에서의 피로균열전파속도보다 큰것으로 확인되었다. Case I, Case II, Case III에서 하중작용각도가 30˚, 60˚, 75˚로 증가함에 따라 모드 II 성분의 영향에 의해 피로균열전파속도는 현저하게 떨어졌다가 회복하는 것으로 확인되었다. 하중작용각도가 0˚< θ ≤ 60˚일 때 혼합모드 I + II 하중 이후에 작용하는 모드 I 하중에서의 피로균열전파속도는 θ가 증가함에 따라 감소하였으며, 하중작용각도(θ)가 60˚<θ≤90˚에서는 피로균열전파속도는 다시 증가하는 것을 확인하였다.
Table 6에서 보는 바와 같이 혼합모드하중 또는 모드 II 하중이 작용한 이후 균열전파 속도는 모드 I 하중이 계속 작용하는 경우보다 피로균열전파속도는 감소하지만 하중작용각도 θ에 따라 차이가 발생함을 확인하였다.
균열발생단계인 균열 발생단계에서의 ΔKth를 비교해 보면 θ=60˚에서 θ=30˚일 때 보다 모드 I에 관한 피로균열 전파 하한계 범위(ΔKI th)는 감소한 반면 모드 II에 관한 피로균열 전파 하한계 범위(ΔKII th)는 증가한 것으로 확인되었다.
따라서 균열전파단계(Stage II)에서 혼합모드 I+II 작용하중하에서 균열전파속도는 하중모드 I의 변화에 따라 영향을 받으며, 그 크기가 감소함에 따라 균열전파속도도 감소하는 것으로 판단된다. 이는 Fig.
하중작용각도가 0˚< θ ≤ 60˚일 때 혼합모드 I + II 하중 이후에 작용하는 모드 I 하중에서의 피로균열전파속도는 θ가 증가함에 따라 감소하였으며, 하중작용각도(θ)가 60˚<θ≤90˚에서는 피로균열전파속도는 다시 증가하는 것을 확인하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
실제 운전 중인 구조물 내의 기계요소는 어떤 환경에 놓이는가?
실제 운전 중인 구조물 내의 기계요소는 다양한 기하학적 형상과 복잡한 배치 상태를 요구 받고 있어 혼합모드 및 변동하중의 피로 환경에 놓이게 된다. 하지만, 하중모드의 측면에서 순수 모드 I 하중상태 하에서의 연구는 활발히 이루어졌으나, 실제 구조물에서 대부분 발생하는 혼합모드 및 변동하중에 대한 연구는 아직 부족한 실정이다.
변동하중의 피로거동에 대한 관심이 증대되는 이유는 무엇인가?
실제 사용중인 기계구조물은 다양한 환경 및 복잡한 설계조건으로 인하여 여러 하중상태가 결합된 상태로 지속적인 변동하중 하에서 운용되고 있다. 이는 여러 가지 복잡한 원인에 의해 발생하는 변동 및 다축에서 작용하는 혼합모드 하중과 다양한 기하학적 형상을 요구하는 설계조건에 의해 기인되며 이러한 하중조건에 하에서 피로거동에 대한 관심은 더욱 증가하고 있는 실정이다.(1)
혼합모드 조건 하에서의 피로 거동에 관한 연구가 중요한 이유는 무엇인가?
또한 기계구조물내의 많은 성분요소에 존재하는 균열은 작용 하중 방향에 항상 수직적이지 않기 때문에 초기 균열의 균열선상에서 성장하지 않는다. 그러므로 혼합모드 조건 하에서의 피로 거동에 관한 연구가 매우 중요하다.
참고문헌 (7)
Qian, J. and Fatemi, A., 1996, "Mixed Mode Fatigue Crack Growth: A Literature Survey," Engineering Fracture Mechanics, Vol. 55, No. 6, pp. 969-990.
Richard, H. A. and Benitz, K., 1983, "A Loading Device for the Criterion of Mixed Mode in Fracture Mechanics," International Journal of Fracture, Vol. 22, pp. R55-R58.
Hong, K. J. and Kang, K. J., 1996, "Method to Measure KI, KII and J-Integral for CTS Specimen under Mixed Mode Loading," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A, Vol. 20, No. 11, pp. 3498-3560.
Gao, H. and Brown, M. W. and Miller, K. J., 1982, "Mixed-mode Fatigue Threshold," Fatigue of Engineering Materials and Structures, Vol. 5, No. 1, pp. 1-77.
Barsom, J. C., 1974, "Fatigue Behavior of Pressure-Vessel Steels," WRC Bulletin, No. 194, Welding Research Council, New York.
Dahlin, P. and Olsson, M., 2004, "Reduction of Mode I Fatigue Crack Growth Rate due to Occasional Mode II Loading," International Journal of Fatigue, Vol. 26, pp. 1083-1093.
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