[논문]필릿용접부의 응력확대계수와 피로노치계수 추정에 관한 연구

강성원; 김명현; 김형래; 편장훈

문제 정의

본 연구에서는 인장응력이 작용할때 혼합모드의거동을 보이는 불용입부를 가지는 필릿용접부에 대해서 루트부와 토우부에서의 모드 I 파괴형태의 영향을 알아보고자 하였다. 응력확대계수를 계산하기 위한 방법으로는 응력법을 사용하여 균열선단부 요소의 크기와 개수에 따라 계산된 응력확대계수의 값의 차이를 비교 검토하고, 높은 정도를 가지는 응력확대계수를 결정하는 방안을 제시하고자 하였다.

가설 설정

하였다. 모델링은 평면변형상태로 가정하여시험편의 단면을 모델링하였고 노치부의 최소 요소크기는 0.1mm 이하로 하였다. 경계조건은 1/4대칭조건을 사용하였고, 하중전달방식으로하중을 주판 끝단에 주었다.

제안 방법

또한, 불용입부를 가지는 필릿용접부에인장응력이 작용하는 혼합모드 형태의 응력확대계수 해석에서 모드 I형태의 영향과 요소의 크기에 따른 응력확대계수 값의 차이를 알아보기위해 범용 프로그램인 MSC Nastran을 활용하여 계산을 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
유효노치응력법을 이용하면 IIW (International Institute of welding) 에서 제시하는 단일 S-N선도(FAT225)에 의해 쉽게 피로수명을 예측할 수 있다4). 본 연구에서는 IIW에서 추천하고 있는 가상반경 1mm를 적용하여 피로수명을 예측 하였다.한편, 균열재 및 초기균열을 가지는 금속구조물의 파괴특성은 응력확대계수(stress intensity factor)에 의하여 규정된다.
분할이 가능하다. 본 연구에서는 요소의 크기에 따른 응력확대계수간의 차이를 알아보기 위해 Table 4와 같이 사각형 요소를 사용하여 균열 선단 부근의 요소 크기를 조절해가며 균열비 (a/W)에 따라 해석을 수행하였다. 요소 분할을 실시하고 해석을 수행한 후의 루트부와 토우 부의 예는 Fig.
알아보고자 하였다. 응력확대계수를 계산하기 위한 방법으로는 응력법을 사용하여 균열선단부 요소의 크기와 개수에 따라 계산된 응력확대계수의 값의 차이를 비교 검토하고, 높은 정도를 가지는 응력확대계수를 결정하는 방안을 제시하고자 하였다.
5Hz의 범위 내에서 시험하중의 크기에 따라 변화시켰다. 최종파단이 될 때까지 피로시험을 수행하였다.
피로노치계수를 이용하여 용접다리길이 18mm인 십자형시험편의 피로강도평가를 수행하였다. 또한, 불용입부를 가지는 필릿용접부에인장응력이 작용하는 혼합모드 형태의 응력확대계수 해석에서 모드 I형태의 영향과 요소의 크기에 따른 응력확대계수 값의 차이를 알아보기위해 범용 프로그램인 MSC Nastran을 활용하여 계산을 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

대상 데이터

본 실험은 두께 25mm인 연강판을 사용하여 용접 다리 길이 18mm 인 시험편을 제작하였다. 시험편의 치수는 Fig.
본 연구에 사용된 피로시험기는 ±20ton의 축인 장 압축 유압 서브 피로시험기이며, 피로 하중의 파형은 정현파를 채택하였다. 하중반복 속도는 1〜 1.
용접다리길이가 18mm인 시험편을 토우부와루트부에 각각 노치반경 1mm을 삽입하여 모델링 하였다. 모델링은 평면변형상태로 가정하여시험편의 단면을 모델링하였고 노치부의 최소 요소크기는 0.

성능/효과

1) 가상의 노치반경 1mm를 적용한 십자형필릿용접부의 피로강도해석을 수행하였으며, 유한요소법을 바탕으로 비교적 쉽게 피로강도를 평가할 수 있었다.
2) 용접다리길이 18mm인 십자형시험편의 피로시험결과를 바탕으로 유한요소법으로부터 계산된 피로노치계수를 계산할 수 있었으며, 그 결과유효노치응력에 대한 수명선도는 FAT225# 적용한 경우 실험결과와 일치하는 것으로 나타났다.
4) 인장응력이 작용하는 필릿용접부의 경우, 전체 혼합모드에서 모드 I 형태가 미치는 영향의 정도는 토우부 균열이 진전하는 경우보다 루트 부에서만 균열이 진전하는 경우가 더 크게 나타났다. 이러한 이유는 균열을 포함하는 필릿용접부의 기하학적 형상과 구조적 강성의 차이로 인해 발생한다.
5) 불용입부를 포함하고 있는 시험편의 토우부균열이 진전하는 경우와 루트부에서만 균열이 진전하는 경우 모두 균열비가 증가할수록 모드 n 형태의 응력확대계수의 증분은 커진다. 하지만토우부 균열의 경우에는 그 증분의 크기가 루트부 균열보다 상대적으로 더 크게 나타났다.
6를 통해 알 수 있다. 또한, 두 경우 모두에서 균열비가 증가할수록 모드 II형태의 응력확대계수의 증분이 커짐을 알 수 있다. 한편, Fig.

후속연구

6) 높은 정도의 응력확대계수를 구하기 위해서는 혼합모드에서 모드 I의 결과값 사이의 비교를 하는 이러한 접근보다는 전체 혼합모드에서 모드 I과 모드 II형태에 대한 응력확대계수를 구하고, 두 모드의 조합된 결과에 대해서 요소의 크기 조절에 따라 나타나는 혼합모드 전체의 결과 간의 차이 비교와 기존 실험식과의 비교가 요구된다.

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