초록 ▼

본 연구는 최근까지 개발된 피로시험자료에 적용되는 모형의 유용성을 파악하고 이에 따라 안전설계과정에서 활용되는 새로운 설계곡선 설정 방법을 제시하며, 통계적 효율성을 고려하면서 시험자가 당면하는 실용적인 제약조건을 만족하는 시험계획을 개발함으로써 타 분야보다 낙후되어 있는 이 분야에 대한 고유기술과 관리기술의 결합 시너지 효과를 제고하고자 한다.
피로한도의 존재와 분산의 이질성 등의 피로시험자료의 특성 때문에 통계적 분석시 어려움이 발생되고 있으므로, 본 연구과제에서는 S-N 곡선 및 피로한도를 적합하기 위해 최근에 개발되거나

본 연구는 최근까지 개발된 피로시험자료에 적용되는 모형의 유용성을 파악하고 이에 따라 안전설계과정에서 활용되는 새로운 설계곡선 설정 방법을 제시하며, 통계적 효율성을 고려하면서 시험자가 당면하는 실용적인 제약조건을 만족하는 시험계획을 개발함으로써 타 분야보다 낙후되어 있는 이 분야에 대한 고유기술과 관리기술의 결합 시너지 효과를 제고하고자 한다.
피로한도의 존재와 분산의 이질성 등의 피로시험자료의 특성 때문에 통계적 분석시 어려움이 발생되고 있으므로, 본 연구과제에서는 S-N 곡선 및 피로한도를 적합하기 위해 최근에 개발되거나 널리 이용되고 있는 모형을 선정하여 다수 피로자료에 적합시켜 평균제곱오차와 피로한도의 추정치 등으로서 각 모형의 우월성을 비교하였다.
또한 스트레스 수준에 따라 미리 규정된 신뢰도를 보증하는 설계곡선을 설정하기 위하여 Owen의 방법에 의해 구성된 허용구간을 이용하여 비선형 모형에 적용할 수 있도록 근사화한 Shen 방법의 약점을 보완할 수 있도록, 재표본 추출을 이용하여 모의실험을 수행하는 모수적 bootstrap 방법을 토대로 설계곡선을 구성할 수 있는 알고리즘을 제시하고, 이를 실제 자료에 적용하여 예증하였다.
이런 피로시험을 실시하기 위해서는 경제적이며 통계적 효율성을 고려한 피로시험 계획이 필요하다. 피로수명이 전술된 모형의 비교실험에서 우수하다고 추천된 Pascual 과 Meeker 모형을 따를 때 사용조건하의 특정 수명을 추정할 경우에 적합한 설계기준인 통계적 성질을 어느 정도 희생하면서, 모형가정에 대한 둔감성, 모수의 추정가능성 등을 고려하여 대수정규분포, 일정스트레스와 정시종결하에서 실용적 피로시험계획을 개발하였다.
최근까지 개발된 S-N 곡선 모형을 다수의 피로시험자료에 적합시켜 잔차평균제곱, 적합 그래프 등의 측면에서 각 모형의 적합도를 비교하면 완전자료인 경우에 Pascual 과 Meeker 모형과 확률피로한도모형이 다른 모형에 비해 우수하였으며, 관측중단자료에서는 Pascual 과 Meeker 모형이 비교적 우수한 것으로 나타났다.
또한 공학설계단계에서 S-N 곡선의 스트레스수준에 따라 낮은 분위수의 신뢰구간을 연결해주는 설계곡선을 모수적 붓스트랩 방법을 이용하여 설정할 수 있는 알고리즘을 제시하고 다수 실제자료를 통하여 예증함으로써 피로수명모형을 기초로 안전설계를 실시할 수 있는 구체적 방법을 제공하였다.
그리고 Pascual 과 Meeker 피로모형하에서 시험이 실시되는 세 스트레스수준의 관측중단시간이 동일한 경우와 다를 경우로 구분하여 시험할당비율과 관측중단시간에 대한 할당비율의 다수 조합하에서 사용조건하의 특정 저분위수에 대한 최우추정량의 점근적 분산을 최소화하는 실용적 시험계획을 개발하였다. 따라서 제시된 계획은 최적계획의 단점인 스트레스와 시간 외삽성을 감소시킬 수 있으며 세 스트레스 수준에서 시험되는 기존 절충형 계획의 단점인 통계적 정밀도를 향상시킬 수 있다.
따라서 본 연구과제는 널리 이용되거나 최근에 개발된 피로곡선작성 모형의 우수성을 파악하고, 이를 이용하여 안전설계 단계에서 유용한 설계곡선의 새로운 설정 알고리즘을 제안하고, 통계적 효율성과 실용성을 고려한 피로시험을 설계함으로써 피로시험자료의 통계적 분석능력과 범위를 제고할 수 있는 기초연구가 될 것으로 여겨진다.

Abstract ▼

The overall objective of this research is to develop methods for statistical modelling of fatigue data and design of fatigue tests in order to enhance synergy effects of mechanical, metallurgical, material and industrial engineering as follows. (1) Compare existing S-N curve models and recommend the

The overall objective of this research is to develop methods for statistical modelling of fatigue data and design of fatigue tests in order to enhance synergy effects of mechanical, metallurgical, material and industrial engineering as follows. (1) Compare existing S-N curve models and recommend the model to characterize fatigue data better. (2) Develop a new method to construct the design curve. (3) Present methods for planning fatigue test based on several design properties.
When the statistical analysis of fatigue life data is performed, some difficulties are present by the characteristics of fatigue life data. Thus, to find existing S-N curve models to characterize fatigue data better, this research compares fatigue curve models developed recently or well known in terms of mean squared error (MSE) of model and estimates of fatigue limit, etc. for several fatigue data sets.
In order to assist a designer in making decisions regarding the fatigue failure mode, it is common practice to construct a design curve on the lower or safe side of data. In this study, to alleviate the weakness of Shen's method which suggested the approximate design curve for nonlinear models using tolerance interval constructed by the Owen's method, an algorithm using parametric bootstrap method, a computational technique that can be used to estimate the sampling distribution of a statistic effectively, is proposed and illustrated with multiple real data sets.
Careful planning is essential for successful fatigue test programs. Practical fatigue test plans considering statistical efficiency of a specified quantile at the use stress sacrificing some statistical efficiency in return for improved overall properties including robustness for the model assumptions and estimability problem, etc. are developed under the assumptions of constant stress, Type I censoring, and Pascual & Meeker fatigue model with lognormal distribution.
The results of this research are summarized as the following.
First, when compared seven fatigue curve models in terms of mean squared error, fitted graph etc. for several data sets, Pascual & Meeker and random fatigue limit models are recommended for completed data, and Pascual & Meeker model is recommended for censored data.
Second, new algorithm using parametric bootstrap method to construct a design curve in engineering design phase is developed and confirmed to be useful by illustrating with multiple cases.
Third, this work presents two practical fatigue test plans with common and different censoring times at three stress levels under Pascual & Meeker's fatigue model, respectively. For two practical plans, low stress level, proportion of test units allocated (and censoring time) at each stress are heuristically determined such that asymptotic variance of the maximum likelihood estimator of a low quantile at use condition is minimized. The proposed plans reduce the stress and time extrapolation of the statistical optimal plans and increase the statistical efficiency of the previous compromise plans.
Finally, this research will contribute for reliability, quality, mechanical, metallurgical and material engineers to plan and implement fatigue tests effectively.

목차 Contents

• Ⅰ. 연구계획 요약문 ...3
• 1. 국문요약문 ...3
• Ⅱ. 연구결과 요약문 ...4
• 1. 국문요약문 ...4
• 2. 영문요약문 ...5
• Ⅲ. 연구내용 ...6
• 1. 서론 ...6
• 2. 연구방법 및 이론 ...7
• 3. 결과 및 고찰 ...14
• 4. 결론 ...19
• 5. 인용문헌 ...20