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3차원 피로균열 진전해석을 통한 면외거셋 용접이음의 피로수명 평가
Assessment of Fatigue Life of Out-Of-Plane Gusset Welded Joints using 3D Crack Propagation Analysis 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.22 no.1, 2018년, pp.129 - 136  

정영수 (부산대학교, 지진방재연구센터) ,  카이누마 시게노부 (큐슈대학교, 토목공학과) ,  안진희 (경남과학기술대학교, 토목공학과) ,  이원홍 (경남과학기술대학교, 토목공학과)

초록
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대형 용접 구조물에 대한 피로설계 수명의 예측은 일반적으로 Palmgren Miner과 등가손상도 방법 또는 선형누적손상도 방법을 사용한다. 또한 용접 구조물에서 피로 균열이 발생되면 잔존 수명은 S-N 곡선과 선형 파괴역학에 기초하여 예측되고 있다. 본 연구에서는 면외거셋 용접이음의 3차원 피로균열 진전거동과 피로수명을 예측하기 위하여 피로 시험을 실시하였다. 면외거셋 용접이음의 3차원 피로균열진전해석은 NX NASTRAN 및 FRANC3D를 이용하여 유한요소 해석을 실시하였다. 면외거셋 용접이음의 균열 형상비, 초기균열 크기 및 응력비에 미치는 영향을 검토하기 위하여 피로균열진전 해석을 실시하였다. 또한 초기균열크기, 균열 형상비와 응력비의 변화에 따른 3차원 피로균열진전 해석 결과와 피로시험결과를 비교하였다. 피로균열진전 해석결과, 피로균열 진전속도와 응력확대계수와의 관계에서 피로시험과 유사하게 나타남을 확인하였으며, 면외거셋 용접이음의 피로수명을 추정할 수 있음을 확인하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The estimation of the fatigue design life for large welded structures is usually performed using the liner cumulative damage method such as Palmgren-Miner rule or the equivalent damage method. When a fatigue crack is detected in a welded steel structure, the residual service life has to be estimated...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 하지만 피로균열 진전에 미치는 균열닫힘의 중요성이 비교적 오랜 기간 인식되어 많은 연구에도 불구하고 실험 및 계측 등의 어려움때문에 재료의 피로 균열닫힘에 대한 데이터는 많지 않다. 본 연구에서는 응력비의 변화를 통하여 피로균열 닫힘거동에 따른 피로수명을 평가하여, 향후 대형용접 구조물에 작용하는 변동하중하의 피로균열 진전해석에 적용하고자 한다. Fig.
  • 본 연구에서는 피로균열이 발생된 강구조물 용접이음부의 잔존피로수명 평가를 위한 3차원 피로균열 진전해석에 대한 기초적인 연구로서 면외거셋 용접이음의 피로시험 결과와 3차원 피로균열 진전해석에 의해 추정된 피로수명을 비교 분석하였다. NX NASTRAN 및 FRANC3D를 이용하여 3 차원 피로 균열 진전 해석을 실시하였다.
  • 본 연구에서는 피로균열이 발생된 강구조물 용접이음부의 잔존피로수명 평가를 위한 3차원 피로균열 진전해석에 대한 기초적인 연구로서 면외거셋 용접이음의 피로시험 결과와 3차원 피로균열 진전해석에 의해 피로수명 예측 가능성을 확인하였다. 실제 강구조물에서는 구조형식에 따라 단순인장반복 응력뿐만 아니라 다양한 하중상태 및 피로균열 발생 등에 의하여 응력방향과 크기 등이 변화하게 되며 이에 대한 검토가 필요할 것으로 판단된다.

가설 설정

  • 많은 연구자들이 균열진전속도와 응력확대계수와의 관계를 규명하였지만 Paris의 식이 균열진전평가에 가장 기본이 된다. 용접이음부에서는 일반적으로 언더컷, 용입부족 등의 결함을 포함하고 있으므로, 본 연구에서는 용접이음부의 피로수명은 균열진전 수명으로 가정하여 선형파괴역학 접근법과 유한요소 해석을 통하여 면외거셋 용접이음의 피로수명을 평가하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
피로균열진전해석에서 무엇을 이용하여 유한요소 해석을 실시하였는가? 본 연구에서는 면외거셋 용접이음의 3차원 피로균열 진전거동과 피로수명을 예측하기 위하여 피로 시험을 실시하였다. 면외거셋 용접이음의 3차원 피로균열진전해석은 NX NASTRAN 및 FRANC3D를 이용하여 유한요소 해석을 실시하였다. 면외거셋 용접이음의 균열 형상비, 초기균열 크기 및 응력비에 미치는 영향을 검토하기 위하여 피로균열진전 해석을 실시하였다.
용접 구조물의 잔존 수명은 무엇에 기초하여 예측되고 있는가? 대형 용접 구조물에 대한 피로설계 수명의 예측은 일반적으로 Palmgren Miner과 등가손상도 방법 또는 선형누적손상도 방법을 사용한다. 또한 용접 구조물에서 피로 균열이 발생되면 잔존 수명은 S-N 곡선과 선형 파괴역학에 기초하여 예측되고 있다. 본 연구에서는 면외거셋 용접이음의 3차원 피로균열 진전거동과 피로수명을 예측하기 위하여 피로 시험을 실시하였다.
대형용접 구조물 등의 변동하중하에서 하중간섭효과를 평가할 수 있다고 보는 실험 결과는 무엇인가? 12(a)는 응력비 변화에 따른 유효응력확대계수를 나타내었다. 낮은 응력비에서 유효응력확대계수는 응력확대계수(△K)에 근접하게 되며 균열 닫힘 현상은 보다 적게 일어나며 Fig. 12(b)와 같이 피로균열 진전해석결과는 알려진 것과 같이 동일한 결과를 나타내었다. 하지만 높은 응력비에서 유효응력확대계수는 응력확대계수(△K) 작게 나타나며 피로균열은 큰 응력범위를 가진 하중에 반응하게 되며, 동일한 피로균열 크기에서도 응력비가 증가함에 따라 유효응력확대계수는 감소하였다. 또한 Fig. 12(c)에 나타낸 것과 같이 동일 응력상태에서는 균열닫힘으로 인하여 피로수명 증가하는 것으로 나타났다. 이와 같은 결과는 대형용접 구조물 등의 변동하중하에서 하중간섭효과를 평가할 수 있을 것으로 판단된다.
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참고문헌 (20)

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  18. Rozumek, D. Lachowicz, C. T., and Macha, Ewald. (2010), Analytical and Numerical Evaluation of Stress Intensity Factor along Crack Paths in the Cruciform Specimens under Out-of-Phase Cyclic Loading, Engineering Fracture Mechanics, 77, 1808-1821. 

  19. Song, W. K., Liu, X., Berto, F., Wang, P., Xu, J., and Fang, H. (2017), Strain Energy Density based Fatigue Cracking Assessment of Load-Carrying Cruciform Welded Joints, Theoretical and Applied Fracture Mechanics, 90, 142-153. 

  20. Yamada, K., Makino, T., and Kikuchi, Y. (1979), Fracture Mechanics Analysis of Fatigue Cracks Emanating form Toe of Fillet Weld, Journal of Japan Society of Civil Engineers, 292, 1-12. 

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