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문제 정의
- 이러한 분석은 ⊿σ-Nf 관계로부터 가스용접 이음재의 피로수명에 대한 최적 접합조건(optimized joining condition)을 찾아 설계 파라메타로 활용함으로써, 철도차량 차체의 경제적이고 합리적인 피로설계를 위한 종합적인 기초 정보로 이용하고자 하였다.
제안 방법
- (c)와 같은 형상으로 동종재 및 이종재간 가스용접한 이음재로써, 용접성 평가를 통하여 도출된 최적 용접조건으로 제작하였다.
- 가스용접 과정에서 야기된 용접부 용접 금속의 야금학적 변화와 2 절에서의 실험계획법에 의한 파단 및 무한수명 데이터 결과를 가지고 이음형상, 재질 등을 종합적으로 고려한 피로설계 최적인자는, 필렛용접의 경우 이종재인 ST+DLT 결합시편이 장 수명설계에 적합한 최적 결합형태로 분석되었다. 그리고 Fig. 3 의 수명에 대한 가스용접이음 형태와 재질에 대한 교호작용(Interaction analysis)을 분석해 보았다. 100,000 cycles 이하에서 필렛 용접을 제외한 플러그 용접과 링 용접에서 주 효과에 대한 2 차 교호작용이 많이 나타났다.
- 본 연구에서는 Table 1 과 같이 철도차량 차체구조 제작에 있어서 가장 많이 사용하고 있는 가스 용접 이음형태인 +자형 필렛이음(fillet joint), 플러그 이음(plug joint), 링 이음(ring joint)을 본 연구의 대상으로 선정하였다. 그리고 각 이음형태의 수평재(horizontal), 수직재(vertical), 수평재와 수직재를 일체화 시키는 용접방법 그리고 스트레스를 인자로 설정하고, 각 인자의 수준은 3 수준으로 하였다.
- 따라서 본 연구에서는 철도차량 차체제작에 적용되는 대표적 이음형상들을 시뮬레이션(simulation)하고 이들을 일체화하는 수단으로 여러 가지 가스용접을 적용하여 시편을 만들어 피로수명 데이터를 얻었다. 그리고 실험계획법(experimental design approach)을 이용하여 피로수명에 대한 최적 설계 파라메타(optimized design parameter)가 무엇인지 통계적으로 분석한 후 실제 실험을 통하여 획득된 피로수명데이터와 비교평가 하였다.
- 실험방법에 있어서는 수명에 대한 최적 파라메타의 연관성을 분석하기 위해서, 3 수준 완전 요인배치법(3-levels full factorial design)을 적용하였다. 따라서 총 실험회수는 3 인자 3 수준의 실험설계에 실험오차를 객관적 정량적으로 평가하기 위해 실험계획의 기본원리를 적용하여 각각 3 회 반복시험을 수행하는 것으로 해서 총 81 회 피로시험을 실시하였다. 피로시험의 판정기준을 파단시점으로 하였으며, 무한수명은 107 cycles로 하였다.
- 본 연구에서는 실험계획법을 이용하여, 철도차량에 적용되는 여러 형태의 용접 이음 형태들 중에서 수명(특성치)에 영향을 미치는 최적인자를 통계적으로 분석하여, 하중 별 최적 용접형태와 재료 대해 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 시편 종류별로 인장강도(tensile strength) 의 70%, 50%, 30% 하중으로 JIS Z2273 및 JIS Z 3103 에 의거 피로시험을 수행하였고, 무한수명의 피로한도(fatigue limit)를 구하기 위해서는 107 Cycles에 이를 때까지 실험을 진행하였다.
- 따라서 총 실험회수는 3 인자 3 수준의 실험설계에 실험오차를 객관적 정량적으로 평가하기 위해 실험계획의 기본원리를 적용하여 각각 3 회 반복시험을 수행하는 것으로 해서 총 81 회 피로시험을 실시하였다. 피로시험의 판정기준을 파단시점으로 하였으며, 무한수명은 107 cycles로 하였다. 실험설계 및 분석에 사용된 상용 프로그램은 MINITAB 14.
- 하중 반복속도를 25Hz 로 하고, 부하형태는 하중비(R=Pmin/Pmax)가 0(Pmin=0)인 정현파(Sine wave)로 하였다. 시편 종류별로 인장강도(tensile strength) 의 70%, 50%, 30% 하중으로 JIS Z2273 및 JIS Z 3103 에 의거 피로시험을 수행하였고, 무한수명의 피로한도(fatigue limit)를 구하기 위해서는 107 Cycles에 이를 때까지 실험을 진행하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 Table 1 과 같이 철도차량 차체구조 제작에 있어서 가장 많이 사용하고 있는 가스 용접 이음형태인 +자형 필렛이음(fillet joint), 플러그 이음(plug joint), 링 이음(ring joint)을 본 연구의 대상으로 선정하였다. 그리고 각 이음형태의 수평재(horizontal), 수직재(vertical), 수평재와 수직재를 일체화 시키는 용접방법 그리고 스트레스를 인자로 설정하고, 각 인자의 수준은 3 수준으로 하였다.
데이터처리
- 따라서 본 연구에서는 철도차량 차체제작에 적용되는 대표적 이음형상들을 시뮬레이션(simulation)하고 이들을 일체화하는 수단으로 여러 가지 가스용접을 적용하여 시편을 만들어 피로수명 데이터를 얻었다. 그리고 실험계획법(experimental design approach)을 이용하여 피로수명에 대한 최적 설계 파라메타(optimized design parameter)가 무엇인지 통계적으로 분석한 후 실제 실험을 통하여 획득된 피로수명데이터와 비교평가 하였다. 이러한 분석은 ⊿σ-Nf 관계로부터 가스용접 이음재의 피로수명에 대한 최적 접합조건(optimized joining condition)을 찾아 설계 파라메타로 활용함으로써, 철도차량 차체의 경제적이고 합리적인 피로설계를 위한 종합적인 기초 정보로 이용하고자 하였다.
이론/모형
- 일반적으로 요인간의 직교성을 갖도록 실험계획하여 데이터를 구하면 같은 실험회수라도 검출력(power of test)이 더 좋은 검정을 할 수 있고, 정도가 더 높은 추정을 할 수 있다. 본 연구는 파라메타 연관성 연구를 위한 것이므로 실험의 회수를 줄이는 것보다 파라메타의 연관성 분석의 정확도을 위해 2 차 교호작용까지 분석한 완전요인 실험법(full factorial design)을 적용하였다.
- Table 5 는 이음재 재질, 용접종류, 스트레스 수준을 특성치에 영항을 주는 인자로 선정하고, 각각의 인자에 3 가지 수준수를 적용하여 실험설계 한 것을 나타낸 것이다. 실험방법에 있어서는 수명에 대한 최적 파라메타의 연관성을 분석하기 위해서, 3 수준 완전 요인배치법(3-levels full factorial design)을 적용하였다. 따라서 총 실험회수는 3 인자 3 수준의 실험설계에 실험오차를 객관적 정량적으로 평가하기 위해 실험계획의 기본원리를 적용하여 각각 3 회 반복시험을 수행하는 것으로 해서 총 81 회 피로시험을 실시하였다.
성능/효과
- 1) 기하학적 인자가 동일하고 용접이음형태와 이음재의 재질조합을 고려했을 때, 장 수명(특성치)을 얻을 수 있는 최적 파라메타는 필렛 용접이며, 재질의 조합에 있어서는 ST+DLT 로 분석되었다.
- 3 의 수명에 대한 가스용접이음 형태와 재질에 대한 교호작용(Interaction analysis)을 분석해 보았다. 100,000 cycles 이하에서 필렛 용접을 제외한 플러그 용접과 링 용접에서 주 효과에 대한 2 차 교호작용이 많이 나타났다. 그래서 플러그 용접과 링 용접에 대한 주 효과 분석 및 교호효과 분석을 Fig.
- 2) 전체적인 용접이음 형태에 대해 장수명(특성치) 피로설계를 위한 용접방법을 분석한 결과, 필렛 용접의 피로수명은 플러그 용접 및 링 용접과 상이한 것으로 판단되는 반면, 플러그 용접과 링 용접은 수명에 대해 비슷한 현상을 보이는 것으로 분석되었다.
- 3) 필렛 용접을 제외한 플러그 용접과 링 용접 이음형태의 피로수명에 대한 최적 파라메타를 비교분석한 결과, 동종재인 ST+ST 재질을 조합해서 플러그 용접을 한 경우가 장수명 설계에 가장 적합한 최적인자로 분석되었다.
- 3 은 인장강도의 30% 하중에서의 주 효과 인자분석을 나타낸 것이다. 가스용접 과정에서 야기된 용접부 용접 금속의 야금학적 변화와 2 절에서의 실험계획법에 의한 파단 및 무한수명 데이터 결과를 가지고 이음형상, 재질 등을 종합적으로 고려한 피로설계 최적인자는, 필렛용접의 경우 이종재인 ST+DLT 결합시편이 장 수명설계에 적합한 최적 결합형태로 분석되었다. 그리고 Fig.
- 100,000 cycles 이하에서 필렛 용접을 제외한 플러그 용접과 링 용접에서 주 효과에 대한 2 차 교호작용이 많이 나타났다. 그래서 플러그 용접과 링 용접에 대한 주 효과 분석 및 교호효과 분석을 Fig. 4, Fig. 5 와 같이 시도해 본 결과, 장수명에 영향을 주는 최적 파라메타는 플러그 용접한 동종재 ST+ST 로 분석되었다. 이상의 실험계획에 의한 결과는 Fig.
- 전체적인 STS301L 의 가스용접이음 형태에 따른 최적 파라메타 분석을 하였으며, Fig. 2 와 Fig. 3 은 인장강도의 30% 하중에서의 주 효과 인자분석을 나타낸 것이다. 가스용접 과정에서 야기된 용접부 용접 금속의 야금학적 변화와 2 절에서의 실험계획법에 의한 파단 및 무한수명 데이터 결과를 가지고 이음형상, 재질 등을 종합적으로 고려한 피로설계 최적인자는, 필렛용접의 경우 이종재인 ST+DLT 결합시편이 장 수명설계에 적합한 최적 결합형태로 분석되었다.
후속연구
- 4) 실험계획법에 의한 통계적 분석을 통하여 최적의 실험회수로 용접방법 및 재질, 기하학적 인자들의 상관관계를 고려한 최적 설계인자를 도출하는 것이 가능할 것으로 기대된다.
- 용접부 는 일반적으로 잘 알려져 있는 바와 같이 외력에 의한 응력집중원(stress concentration)이 되는 것은 물론 용접과정에서의 입열(heat input)로 인한 성분과 조직의 변화, 용접잔류응력(welding residual stress)발생 등에 의해 반복하중에 대한 피로강도(fatigue strength)가 모재(base metal)의 그것에 비해 훨씬 떨어진다. 따라서, 용접 구조물의 용접이음부(weldment)에 대한 신뢰성(reliability) 확보는 구조물의 건전성과 내구성에 직접적인 영향을 미치므로, 용접구조물 설계 시에는 이러한 조건들을 만족시킬 수 있도록 설계되어야 할 것이다. 철도차량과 자동차와 같은 박판용접 구조물의 설계에 있어서는 무엇보다도 용접과정에서 발생하는 금속학적, 역학적 현상 외에도 용접이음부의 기하학적 인자(geometrical factors)들이 피로강도에 미치는 영향에 대한 정보를 확보하는 것이 매우 중요하고 필요하다.
- 6 의 ⊿P-Nf 관계로 나타내었을 때도 비슷한 경향을 보였다. 따라서, 이와 같은 분석결과는 향후 수명에 대한 설계기준을 설정하는데 보다 효과적인 설계가 가능할 것으로 판단한다.
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