KR100706048B1 - A method of development of fatigue assessment of welding joint - Google Patents
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Abstract
유전적 알고리즘 기법을 이용하여 재료 손상 모델에 필요한 각종 재료 상수들을 결정하는 피로 강도 평가 방법이 개시된다.Fatigue strength evaluation methods are disclosed that determine various material constants required for a material damage model using genetic algorithm techniques.
본 발명에 따른 피로 강도 평가 방법은, 표준적인 기계적 물성치만 입력하고 이를 이용하여 재료손상 모델의 기초자료를 구성한 후, 단축 인장 시험 결과와의 비교를 토대로 최종적인 손상 모델을 도출한다. 또한, 재료 손상 모델의 기초 자료를 구성하는 단계는, 표준적인 기계적 물성치를 추론 엔진에 입력하고, 손상 엔진을 위한 재료 상수를 추론한 뒤, 재료 손상 평가를 위한 재료 상수를 검증한다. 그리고, 표준 편차 등을 이용하여 피로 특성치의 피로수명해석 관계를 결정하고, 추론 모델 및 데이터베이스를 이용한 최적화된 재료 손상 모델의 기초 자료를 구성한다.In the fatigue strength evaluation method according to the present invention, after inputting only standard mechanical property values and using them, the basic data of the material damage model is constructed, and the final damage model is derived based on the comparison with the results of the uniaxial tensile test. Also, the step of constructing the basic data of the material damage model inputs standard mechanical property values to the inference engine, infers a material constant for the damage engine, and then verifies the material constant for the material damage evaluation. The relationship between fatigue life of fatigue characteristics is determined using standard deviations, and basic data of optimized material damage model using inference model and database are constructed.
피로 강도, 강재의 용접 이음부, 손상 역학, 유전적 알고리즘 Fatigue Strength, Weld Joints of Steel, Damage Mechanics, Genetic Algorithm
Description
도 1은 본 발명에 따른 최적화 기법을 도식적으로 나타낸 블록도이다.1 is a block diagram schematically illustrating an optimization technique according to the present invention.
도 2는 추론 엔진에서의 재료 상수 추론 단계를 나타낸 흐름도이다.2 is a flowchart illustrating a material constant inference step in an inference engine.
도 3은 미경험용 강재의 재료 정수를 결정하는 단계를 나타내는 흐름도이다.3 is a flowchart showing a step of determining a material constant of an inexperienced steel.
도 4는 재료 정수의 일축인장 시험 데이터의 상관관계 식 중에 재료의 탄성계수(Young's modulus)와 점소성 상수(visco-plastioc constants)의 관계를 나타낸 그래프이다. 4 is a graph showing the relationship between the Young's modulus and the visco-plastioc constants of the material in the correlation equation of the uniaxial tensile test data of the material constant.
도 5는 재료의 항복응력(yield strength)과 점소성 상수의 관계를 나타낸 그래프이다. 5 is a graph showing the relationship between yield strength and viscous constant of a material.
도 6은 재료의 인장극한강도(ultimate tensile strength)와 점소성 상수의 관계를 나타낸 그래프이다. FIG. 6 is a graph showing the relationship between ultimate tensile strength and viscous constant of materials.
도 7은 재료의 파단변형률(fracture elongation)과 점소성 상구의 관계를 나타낸 그래프이다.FIG. 7 is a graph showing the relationship between the fracture elongation of materials and viscous firing.
도 8은 소성변형률 속도의 정의에서 점소성 매개변수(S; viscoplastic parameters)와 재료 손상 변수의 관계를 수치적인 관계를 나타낸 그래프이다.8 is a graph showing the numerical relationship between the relationship between viscoplastic parameters (S) and material damage variables in the definition of plastic strain rate.
도 9는 경험식과 실제의 미경험 강재를 비교한 그래프이다.9 is a graph comparing empirical and actual inexperienced steels.
도 10은 구조적 건전성을 평가하는 과정을 나타낸 흐름도이다.10 is a flowchart illustrating a process of evaluating structural health.
도 11은 구조 초기의 결함에 의한 특성을 추정할 수 있는 잔류 응력 추정을 구하는 구조를 나타낸 블록도이다.11 is a block diagram showing a structure for obtaining a residual stress estimate capable of estimating characteristics due to defects at the beginning of the structure.
도 12는 초기 결함이 정량적으로 계산된 후 최종적인 손상량을 계산하는 과정을 나타낸 흐름도이다.12 is a flowchart illustrating a process of calculating a final damage amount after an initial defect is quantitatively calculated.
도 13은 기해석 데이터를 이용하여 피로 특성 평가를 수행하기 위한 모델링의 일 예이다.13 is an example of modeling for performing fatigue characteristic evaluation using geometric analysis data.
도 14는 용접부 피로수평을 예측하기 위해서 기본적인 재료물성치, 용접부 형상 치수 그리고 용접영향효과를 입력하여 기본적인 구조적 해석을 수행하는 개념도이다. FIG. 14 is a conceptual diagram of performing basic structural analysis by inputting basic material properties, weld shape dimensions, and welding influence effects in order to predict weld fatigue horizontality. FIG.
도 15는 이러한 구조적인 해석에서 Manson-Halford식과 SWT식을 이용하여 최대 주변형률을 나타내는 지점에서의 피로수명해석 수행의 도식표이다.FIG. 15 is a schematic table of fatigue life analysis performed at the point of maximum peripheral strain using Manson-Halford equation and SWT equation in this structural analysis.
도 16은 본 시스템에서 적용하는 있는 용접부 피로수명 예측 모델을 적용하는 방법이다16 is a method for applying a weld fatigue life prediction model applied in the present system.
도 17은 Manson-Halford식과 SWT식과 본시스템에서 용접부의 피로평가을 검증하기 위한 모델링의 일 예이다.17 is an example of modeling for verifying fatigue evaluation of a weld in the Manson-Halford equation and the SWT equation and the present system.
도 18은 Manson-Halfordtlr과 SWT식에 적용하여 피로해석을 수행한 결과를 나타낸 그래프이다. 18 is a graph showing the results of fatigue analysis applied to the Manson-Halfordtlr and SWT equations.
도 19는 Tso-Lianf Teng에서는 strain-based로 피로평가와 damage-based 평가 기법을 비교하기 위하여 프로그램피로평가 결과를 나타낸다.Figure 19 shows the program fatigue evaluation results in order to compare the fatigue evaluation and damage-based evaluation techniques strain-based in Tso-Lianf Teng.
본 발명은 손상역학 수법을 이용한 파괴문제 해석법에 관한 것이며, 구체적으로는, 유전적 알고리즘 기법을 이용하여 재료손상 모델에 필요한 각종 재료상수들을 결정하는 기법에 관한 것이다. The present invention relates to a fracture problem analysis method using damage mechanics, and more particularly, to a technique for determining various material constants required for a material damage model using a genetic algorithm technique.
최근, 전산기의 발달과 더불어, 피로파괴문제에 대한 수치해석 기법 개발이 다양한 분야에서 시도되고 있다. 그리고, 이러한 시도는 기본적으로 유한요소해석을 바탕으로 하고 있어, 방대한 계산량에 따른 실용상의 어려움이 존재한다. 이러한 어려움에도 불구하고 피로문제를 다루기 위해, 파괴역학, 손상역학 등 여러가지 이론들이 제안되어 있다. Recently, with the development of computer, the development of numerical analysis method for fatigue failure problem has been attempted in various fields. In addition, these attempts are basically based on finite element analysis, and there are practical difficulties due to the large amount of computation. Despite these difficulties, various theories such as fracture mechanics and damage mechanics have been proposed to deal with fatigue problems.
이들 두 가지 방법을 크게 구분하여 설명하면, 먼저, 파괴역학은 비손상 재료에 존재하는 균열의 진전거동을 대역적 파라미터와 관계짓는 것으로, 가장 대표적인 강도평가 수법인 유한요소법과의 병용을 통해, 실용적인 파괴해석수법으로 평가받는다. 그러나 파괴역학은, 재료 중에 다수의 미소균열이 발생, 발전하고 이것들이 합쳐져 거시적 균열을 형성하는 경우, 또한 균열선단에 비탄성변형이 존재하는 경우, 그리고 작용하중이 혼합모드 이거나 비(非)비례하중의 경우에는 적용상의 한계가 있는 문제점이 존재한다.When the two methods are largely divided and described, first, fracture mechanics is related to the propagation behavior of cracks in an intact material with band-width parameters. Evaluated by fracture analysis. Fracture mechanics, however, is characterized by the fact that a large number of microcracks occur and develop in the material and they combine to form macroscopic cracks, when inelastic deformation is present at the crack tip, and the working load is mixed or non-proportional. In this case, there is a problem with application limitations.
한편, 재료 및 구조체의 손상파괴문제에 대한 다른 접근방법인 손상역학은, 모든 역학 변수가 연속체역학의 범위 내에서 기술되기 때문에 완벽한 이론적 근거 를 제공해준다. 이러한 이유로 인해 여러 종류의 손상/파괴문제에 적용되어 왔으며 재료 또는 구조내부의 손상 및 파괴문제에 관한 수치시뮬레이션 수법의 체계적인 개발에 큰 기여를 하였다. 이러한 이론적 기초에 바탕을 두고, 초기의 비손상상태부터 균열 발생시까지 전과정을 수치적으로 추적하는 방법을 손상역학에 기초한 국소적파괴해석법(Local Approach to Fracture)이라고 한다.On the other hand, damage mechanics, another approach to the problem of damage destruction of materials and structures, provides a complete theoretical basis because all dynamic variables are described within the scope of continuum mechanics. For this reason, it has been applied to various types of damage / destruction problems and contributed to the systematic development of numerical simulation methods for damage and destruction problems in materials or structures. Based on this theoretical basis, the method of numerically tracking the whole process from the initial intact state to the occurrence of a crack is called Local Approach to Fracture.
손상역학 자체는 고체역학의 오랜 역사에 견주어 볼 때 비교적 짧은 역사를 지니고 있지만, 최근 들어 각종 구조물의 손상관련 문제에서 적극적으로 채용되고 있는 기술이다. 특히, 가상공간상에서의 식 계산을 통한 균열발생 시뮬레이션 등은 관련 문제 예측에 필요한 비용의 절감효과와 안전성 확보 설계 개념도출을 위한 핵심 기술로 인정받아 재료 강도 분야에서 선도적 연구분야로 인정되는 등, 점차 활용분야를 넓혀가고 있다.Damage mechanics itself has a relatively short history compared to the long history of solid mechanics, but recently, it is a technique that is actively employed in the damage-related problems of various structures. In particular, crack generation simulation through calculation of equations in virtual space has been recognized as a leading research field in the field of material strength, as it is recognized as a core technology for cost-saving effect and safety design concept for predicting related problems. The field of application is expanding.
그러나, 재료특성을 묘사할 수 있는 이론 혹은 구성 방정식의 도출방법은 여전히 해결해야만 하는 관건으로 남아 있으며, 결국 이러한 것들이 해석이나 시뮬레이션 결과의 정량적인 신뢰성 향상 및 설계지원용 기술로의 확장에 걸림돌이 되고 있는 실정이다.However, the method of deriving the theory or constitutive equations that can describe the material properties remains a problem that must be solved, which in turn impedes the improvement of quantitative reliability of the analysis and simulation results and the expansion to design support technology. It is true.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 용접이음부의 피로강도 평가용 평가 방법 및 이를 이용한 GUI 환경의 통합 시스템을 제공하고, 시스템 개발에 따른 해석 시간의 감소와 장시간의 시험에 의존한 피로 수명의 예측을 단시간에 가능하게 할 수 있는 방법 및 통합 시스템을 제공하는 것이다.The technical problem to be achieved by the present invention is to provide an evaluation method for fatigue strength evaluation of welded joints and an integrated system of GUI environment using the same, and to reduce the analysis time according to the system development and to predict the fatigue life depending on the long-term test. It is to provide a method and an integrated system that can be enabled in a short time.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 모델링과 해석 및 해석 전/후 처리를 GUI 환경에서 간단하게 처리 가능한 방법 및 시스템을 제공하는 것이다.Another technical problem to be solved by the present invention is to provide a method and system that can easily process modeling, analysis, and pre-analysis processing in a GUI environment.
상술한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 특징에 의하면 강재의 용접 이음부의 피로 강도를 평가하는 방법은, 표준적인 기계적 물성치를 입력받는 단계; 상기 표준적인 기계적 물성치를 이용하여 재료 손상 모델의 기초 자료를 구성하는 단계; 및 상기 재료 손상 모델의 기초 자료와 용접부의 피로 강도 평가 모델을 위한 단축 인장 실험 결과와 비교하여 최종적인 손상 모델을 도출하는 단계를 포함하며, 상기 재료 손상 모델의 기초 자료를 구성하는 단계는, 상기 표준적인 기계적 물성치를 추론 엔진에 입력하는 단계; 손상 엔진을 위한 재료 상수를 추론하는 단계; 재료 손상 평가를 위한 재료 상수를 검증하는 단계; 표준 편차 등을 이용하여 피로 특성치의 피로수명해석(S-N) 관계를 결정하는 단계; 및 상기 추론 모델 및 데이터베이스를 이용한 최적화된 재료 손상 모델의 기초 자료를 구성하는 단계를 포함한다.In order to achieve the object of the present invention as described above, according to a feature of the present invention, a method for evaluating the fatigue strength of the welded joint of the steel, receiving a standard mechanical property value; Constructing basic data of a material damage model using the standard mechanical properties; And deriving a final damage model by comparing the basic data of the material damage model with the uniaxial tensile test results for the fatigue strength evaluation model of the welded portion, and constructing the basic data of the material damage model includes: Inputting standard mechanical properties into the inference engine; Inferring material constants for the damage engine; Verifying material constants for material damage assessment; Determining a fatigue life analysis (S-N) relationship of fatigue characteristic values using standard deviations; And constructing basic data of the optimized material damage model using the inference model and the database.
본 발명과 본 발명의 동작성의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.In order to fully understand the present invention, the advantages of the operability of the present invention, and the objects achieved by the practice of the present invention, reference should be made to the accompanying drawings which illustrate preferred embodiments of the present invention and the contents described in the accompanying drawings.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Like reference numerals in the drawings denote like elements.
각종 공학문제에서 활발하게 적용되고 있는 유전적 알고리즘 등을 이용한 최적화 기법을 이용하면 재료 특성을 묘사할 수 있는 이론 및 구성 방정식의 체계적 도출이 가능하다. 또한, 전문지식을 보유하지 않는 설계자의 입장에서 볼 때도, 건전성 평가를 위해 필요한 정밀 손상 모델 구축 관련 부분과 이를 응용한 각종 강도 특성 평가 기술을 GUI 타입(Type) 전문가 시스템으로 구성하여 적용상의 문제점을 해결하고 동시에 실용적인 설계지원 도구로서의 역할을 기대할 수 있다.Optimization techniques using genetic algorithms, which are actively applied in various engineering problems, enable systematic derivation of theories and constitutive equations to describe material properties. In addition, even from the standpoint of the designer who does not have the expertise, the GUI type expert system consists of the precision damage model construction part necessary for the soundness evaluation and various strength characteristics evaluation technology applied to it. At the same time, it can be expected to serve as a practical design support tool.
따라서, 본 발명은 최적화 기법을 강재에 대한기본 입력 자료, 예를 들면 표준적인 기계적 물성치만을 입력하고 이를 이용하여 재료 손상 모델의 기초 자료를 구성하고, 용접부의 피로 강도 평가 모델을 위해 단축 인장 실험 결과와 재료의 해석적인 특성을 비교하여 최종적인 손상 모델을 도출하는 과정을 얻는다. Accordingly, the present invention uses the optimization technique to input only basic input data for steel materials, for example, standard mechanical properties, and to use the data to construct the basic data of the material damage model. By comparing the analytical properties of the material with that of the final damage model is obtained.
도 1은 본 발명에 따른 최적화 기법을 도식적으로 나타낸 블록도이다.1 is a block diagram schematically illustrating an optimization technique according to the present invention.
손상역학을 적용하기 위해서는 강재(鋼材)의 기계적 특성치 즉 변수가 13개가 필요하다. 하지만, 강재의 13 가지의 기계적 특성치를 모두 산출하는 데에는 실험 시간이 너무 많이 소요되는 문제가 있다. 따라서, 이미 알고 있는 기계적 특성치의 데이터 베이스를 이용하거나 몇 가지의 특성치 (예를 들어 5개의 변수)를 알고 있으면, 이 알고 있는 기계적 특성치들을 이용하여 나머지 기계적 특성치들을 수식을 통해 구하게 된다.In order to apply damage mechanics, 13 mechanical parameters are required. However, there is a problem that it takes too much experiment time to calculate all 13 mechanical properties of the steel. Therefore, if you use a database of known mechanical properties or know a few properties (for example, five variables), you can use the known mechanical properties to calculate the remaining mechanical properties through a formula.
도 1을 참조하면, 최적화 기법(100)은 손상 메커닉 접근 방법에 기초한 기계적 특성치를 이용하여 피로 특성치를 추정한다.Referring to FIG. 1, the
구체적으로, 먼저 알려진 기계적 물성값을 추론 엔진에 입력한다(단계 101). 그런 다음, 추론 엔진은 손상 계산(damage calculation)을 위한 재료 파라미터를 추론한다. 즉 최종 손상모델을 도출하기 위해 기입력된 재료의 재료 특성(S-S curve)을 통하여 손상역할을 이용한 S-S curve를 도출한다(단계 103). 그리고, 추론 엔진은 재료 손상 평가를 위한 재료 파라미터를 검증한다(단계 105). 그리고, 피로 특성치의 피로수명해석 관계를 표준 편차 등을 이용하여 결정하고(단계 107), 추정 결과 및 데이터 베이스를 통해 최적화된 데이터를 보고한다(단계 109).Specifically, first, the known mechanical property value is input to the inference engine (step 101). The inference engine then infers the material parameters for damage calculation. That is, to derive the final damage model, the S-S curve using the damage role is derived through the material properties (S-S curve) of the input material (step 103). The inference engine then verifies the material parameters for material damage assessment (step 105). The fatigue life analysis relationship of the fatigue characteristic values is determined using a standard deviation or the like (step 107), and the optimized data are reported through the estimation result and the database (step 109).
한편, 도 3의 최적화 기법(100)에서는, 재료의 파괴특성을 대변하는 가장 간단한 자료인 인장시험 결과, 피로시험 결과, 그리고 시뮬레이션 해석 결과와의 오차율을 사용한다. 즉, 단계 103 및 단계 105에서 추론 엔진은 강재의 기본적인 기계적 특성치를 입력받고, 내부에 탑재된 유한요소해석 프로그램에 필요한 각종 해석용 재료 상수를 상기 인장시험 결과, 피로시험 결과, 그리고 시뮬레이션 해석 결과와의 오차율을 수식적으로 최적화하여 이들 재료 상수를 결정한다.On the other hand, in the
도 2는 추론 엔진에서의 재료 상수 추론 단계를 나타낸 흐름도이다.2 is a flowchart illustrating a material constant inference step in an inference engine.
도 2를 참조하면, 도 1에서의 재료 상수 추론 단계(단계 103)는 다음과 같은 3 단계의 추론 단계를 통해 재료 상수를 추론한다.Referring to FIG. 2, the material constant inference step (step 103) of FIG. 1 infers the material constant through the following three inference steps.
첫째로 기억 기반 추론 방법으로 기존의 알려진 데이터(이하 기데이터)를 이용하여 해석용 재료 정수를 구한다(단계 201). 두 번째로 기데이터에서 실험적인 수치값을 기계적인 특성치와 해석용 재료정수의 상관관계를 이용하여 실험식을 정의한다(단계 203). 그리고 세 번째로는 기억기반의 해석용 재료정수와 기데이터에서의 실험식에 의해 수정된 해석용 재료 정수의 관계를 오차 최적화하기 위해서 유전적 프로그램을 이용하여 최적화한 해석용 재료 정수를 계산한다. 즉 기존의 알려진 데이터(기데이터)를 통하여 해석용 재료 정수를 구성함에 있어서, 유전적 프로그램(유전적 알고리즘)을 이용하여 오차범위를 최적화하여, 구하고자 하는 재료의 해석용 재료 정수를 구성한다(단계 205).First, using the known reasoning method (memory data) using the memory-based reasoning method to find the material constant for analysis (step 201). Secondly, the empirical formula is defined using the correlation between the mechanical characteristic value and the analysis material constant in the experimental numerical value in the data (step 203). Thirdly, the optimized analysis material constants are calculated using a genetic program to optimize the relationship between the memory-based analysis material constants and the analysis material constants modified by the empirical equations in the data. That is, in constructing an analysis material constant through existing known data (data), an error range is optimized by using a genetic program (genetic algorithm) to construct an analysis material constant of a material to be obtained ( Step 205).
먼저, 단계 201의 기억 기반 추론을 이용한 해석용 재료 정수 구하는 과정을 설명한다.First, a process of obtaining an analysis material constant using the memory-based inference of step 201 will be described.
기억기반 추론 방법을 이용한 재료정수의 결정은 기존의 선급용 강재와 각종경험용 강재 각각의 재료 정수에 해당하는 정보를 이용하므로, 미경험적인 강재에 재료 정수 결정이 용이하다. 새로운 미경험 강재와 경험용 강재의 결정관계를 통해 상수가 줄어들게 되므로 최종적인 목적 상수의 결정이 용이하다.Determination of the material constant using the memory-based reasoning method uses the information corresponding to the material constants of the existing class steels and various kinds of experienced steels, and thus it is easy to determine the material constants for inexperienced steels. It is easy to determine the final target constant because the constant is reduced through the decision relationship between new and inexperienced and experienced steels.
첫 번째는 비슷한 경우를 경험적인 추론으로부터 밝혀낸 다음 이러한 경험적 추론에 의한 파라미터의 필요한 정보를 찾아내어 이를 적용한다. 이것이 기억 기반 추론(Memory-Based Reasoning, MBR)이다. 기억 기반 추론은 직접적인 데이터 마이닝 기술과 유사한 경험을 이용하는 방법이다. 데이터 베이스 내의 알고 있는 레코드를 유지함으로써 기억 기반 추론은 이웃한 새로운 레코드를 찾아내고 그 이웃들은 분류와 예측에 쓰이게 된다.The first one finds similar cases from empirical reasoning and then finds and applies the necessary information of parameters by this empirical reasoning. This is Memory-Based Reasoning (MBR). Memory-based reasoning is a way of using experiences similar to direct data mining techniques. By keeping known records in the database, memory-based reasoning finds new neighbors and those neighbors are used for classification and prediction.
기억 기반 추론 방법의 장점은 공통적인 상수에 대한 추론 능력이 데이터를 그 자체로 이용한다는 것이다. 다른 데이터 마이닝 기술과는 달리 이 방법은 레코드의 포맷에 개의치 않는다. 기억 기반 추론 방법은 다음 두 가지에 초점을 갖는다. 두 레코드 간의 거리를 나타내는 거리 함수(distance function)와 답에 도달하기까지의 결과를 조합한 조합 함수(combination function)가 그것이다. 이들 함수들은 거의 모든 레코드들의 표준 데이터 타입으로 손쉽게 정의되어 있다. 또한, 이는 다른 분석기법으로 다루기 힘든 데이터 형태를 다룰 수 있다.The advantage of memory-based reasoning is that the ability to reason about common constants uses the data itself. Unlike other data mining techniques, this method does not care about the format of the record. Memory-based reasoning methods focus on two things: A distance function that represents the distance between two records and a combination function that combines the results of reaching the answer. These functions are easily defined with the standard data types of almost all records. It can also handle data types that are difficult to handle with other analytical techniques.
기억 기반 추론은 또한 관계형 데이터에 알맞은 방법이다. 즉, 각각의 재료 에 대한 σY, σT, E 등과 같은 재료 특성의 물성치와 재료 고유의 손상역학적인 손상 변수인 재료 정수에 대한 조합 함수 등과 같은 복잡한 레코드와 때로는 어떤 필드에서 누락된 값들을 처리하는 데 이용하기도 한다.Memory-based reasoning is also a good choice for relational data. That is, to deal with complex records such as material properties such as σ Y , σ T , E for each material, and combination functions for material constants, which are inherent damage mechanics, and sometimes missing values in some fields. Also used to.
도 3은 미경험용 강재의 재료 정수를 결정하는 단계를 나타내는 흐름도이다.3 is a flowchart showing a step of determining a material constant of an inexperienced steel.
도 3의 흐름도는 기억 기반 추론의 기본적인 재료 정수의 1차 추론을 나타내는 흐름도이며, 도 2의 단계 201에 대응된다. 단계 201는 경험용 강재 데이터베이스에서 경험용 강재의 재료 정수를 입력받는 단계(단계 301), 기억 기반의 강재 재료를 추정하는 단계(단계 303), 및 미경험용 강재의 재료 정수를 결정하는 단계(단계 305)를 포함한다.3 is a flowchart showing the first order inference of the basic material constants of the memory based reasoning, which corresponds to step 201 of FIG. In step 201, a step of receiving a material constant of an experienced steel from an experienced steel database (step 301), estimating a memory-based steel material (step 303), and determining a material constant of an inexperienced steel (step 305).
한편, 최근접 이웃 접근(the nearest neighbor approach)은 매우 지역적이다. 오직 새로운 강재와 가장 흡사한 저장 기록만이 미경험 강재의 경험적인 하나의 상수(parameter) 역할을 한다. 기억 기반 추론에서의 미경험 강재에 대한 기계적인 특정 변수의 결정의 관계는 실해석용 재료정수를 시스템의 일부 모듈에서 프로그래밍화 되어있는 필요한 해석용 재료정수를 1차적 추론할 수 있다.On the other hand, the nearest neighbor approach is very local. Only the new storage record, which is the most similar to the new steel, serves as an empirical parameter for inexperienced steels. The relationship of the determination of mechanical specific variables for inexperienced steels in memory-based reasoning can primarily infer the necessary analysis material constants that are programmed in some modules of the system.
다음으로, 단계 202의 실험식 정의 과정을 설명한다.Next, the empirical definition process of step 202 will be described.
단계 202는 기데이터에서 실험적인 수치값을 기계적인 특성치와 해석용 재료정수의 상관관계를 이용하여 실험식을 정의하는 단계로, 먼저 재료 정수 상관 관계를 추론할 필요가 있다.Step 202 is a step of defining an empirical equation using the correlation between the mechanical characteristic value and the analysis material constant in the experimental numerical value in the data, and first, it is necessary to infer the material integer correlation.
추론엔진에서의 각각의 경험용 강재에 대한 기계적인 특정 변수(예를 들어, Young's Modules, Yield Strength, Tensile Strength, Fracture Elongation)와 각 재료 손상 변수의 연관관계를 수식적인 경험식으로 도출할 수 있다. 여기서 각 매개변수는 역학적 특성을 정밀하게 묘사할 필요가 있다. 본 발명의 일 실시예에서는, 재료 손상 모델에 필요한 각종 재료 상수들을 결정하는 기법을 경험식화 한다. 즉, 강재에 대한 기본 입력 자료, 예를 들면 표준적인 기계적 물성치만을 입력하고, 이를 이용하여 재료손상 모델의 기초자료 정리와 각 재료의 기본적인 정보와의 시험결과를 비교하여 내부적으로 필요한 해석용 재료 정수를 유도한다.The relationship between each mechanical damage parameter (e.g., Young's Modules, Yield Strength, Tensile Strength, Fracture Elongation) for each empirical steel in the inference engine and each material damage variable can be derived using a mathematical empirical formula. . Here each parameter needs to accurately describe its mechanical properties. In one embodiment of the present invention, a technique for determining the various material constants required for a material damage model is empirical. In other words, input only basic input data for steel, for example, standard mechanical properties, and use it to compare basic data of material damage model and test results with basic information of each material. Induce.
그런 다음, 일축 인장 시험에서 각 재료의 기본 입력 정보의 결과와 시험결과를 비교하여 실험적인 다항식(Polynomial) 형식으로 도출할 수 있다. 이때, 관계형 추론식의 최대 최소 관계는 실제 재료의 관계 지수에서 기존의 기 데이터의 최소, 최대 관계를 적용하여 산출한다.Then, in the uniaxial tensile test, the results of the basic input information of each material and the test results can be compared and derived in experimental polynomial form. At this time, the maximum minimum relationship of the relational inference formula is calculated by applying the minimum and maximum relationships of existing data in the relationship index of the actual material.
도 4는 재료 정수의 일축인장 시험 데이터의 상관관계식 중에 재료의 탄성계수(Young's modulus)와 점소성 상수(visco-plastioc constants)의 관계를 나타낸 그래프이다. 도 5는 재료의 항복응력(yield strength)과 점소성 상수의 관계를 나타낸 그래프이다. 도 6은 재료의 인장극한강도(ultimate tensile strength)와 점소성 상수의 관계를 나타낸 그래프이다. 도 7은 재료의 파단변형률(fracture elongation)과 점소성 상수의 관계를 나타낸 그래프이다.FIG. 4 is a graph showing the relationship between Young's modulus and visco-plastioc constants of materials in the correlation of uniaxial tensile test data of material constants. 5 is a graph showing the relationship between yield strength and viscous constant of a material. FIG. 6 is a graph showing the relationship between ultimate tensile strength and viscous constant of materials. 7 is a graph showing the relationship between fracture elongation and viscous constant of a material.
상술한 방법으로 재료의 피로해석에서도 경험강재에 대해서 실제의 데이터를 기반으로 한 각각의 재료의 기계적 물성치와 해석용 재료 정수의 상관관계를 수식화 하는데 필요한 재료 정수를 산출할 수 있다. In the fatigue analysis of materials, the material constants necessary to formulate the correlation between the mechanical properties of each material and the analysis material constants can be calculated based on the actual data for the experienced steels.
아래 수학식 1 및 2는 소성변형률 속도의 점소성 매개 변수와 재료의 손상 계수(S1, X)에 관한 상관 관계식이다.
도 8은 소성변형률 속도의 정의에서 점소성 매개변수(S; viscoplastic parameters)와 재료 손상 변수와의 관계를 수치적인 관계를 나타낸 그래프이다.8 is a graph showing the numerical relationship between the viscoplastic parameters (S) and the material damage variables in the definition of the plastic strain rate.
도 8의 관계를 통해, 소성변형률 속도의 점소성 매개 변수와 재료의 손상 계수(S1, Y)의 관계의 추론식을 유추할 수 있으며, 이는 아래 수학식 3 및 4로 표현될 수 있다.Through the relationship of FIG. 8, an inference equation of the relationship between the viscous parameter of the plastic strain rate and the damage coefficients S 1 and Y of the material can be inferred, which can be expressed by
표 1은 점소성 매개변수(viscoplastic parameters)와 손상 계수(damage parameters)의 관계를 나타낸다.Table 1 shows the relationship between viscoplastic parameters and damage parameters.
도 9는 경험식과 실제의 미경험 강재를 비교한 그래프이다.9 is a graph comparing empirical and actual inexperienced steels.
도 9를 참조하면, 미경험 강재의 기계적 물성치에서 손상 효과를 고려한 소성변형률속도에 기인한 매개변수는 실제의 상관관계식과 잘 일치하는 것을 볼 수 있다.9, it can be seen that the parameters due to the plastic strain rate considering the damage effect in the mechanical properties of the inexperienced steel are in good agreement with the actual correlation.
한편, 재료 손상 모델의 기초 자료를 구성한 다음에는, 강재의 구조적 건전성을 평가하는 단계를 진행한다.On the other hand, after constructing the basic data of the material damage model, the step of evaluating the structural integrity of the steel proceeds.
도 10은 구조적 건전성을 평가하는 과정을 나타낸 흐름도이다.10 is a flowchart illustrating a process of evaluating structural health.
도 10을 참조하면, 최종적인 손상 모델을 도축하기 위한 과정은(1000), 임의의 구조 부재의 용접부 손상 및 강도 특성을 평가하는 단계(단계 1001) 및 가상 공간에서의 시뮬레이션을 통한 재료 파라미터의 건전성을 평가하는 단계(단계 1003)로 구성된다.Referring to FIG. 10, the procedure for slaughtering the final damage model (1000) includes assessing weld damage and strength characteristics of any structural member (step 1001) and soundness of material parameters through simulation in virtual space. Evaluating (step 1003).
단계 1001에서, 용접부 손상 및 강도 특성을 평가하기 위해서는, 용접 잔류 응력을 고려하여 용접부의 피로강도를 평가할 수 있는 모델이 요구된다.In step 1001, in order to evaluate weld damage and strength characteristics, a model that can evaluate the fatigue strength of the weld in consideration of the weld residual stress is required.
도 11은 구조 부재의 용접부 손상 및 강도 특성을 평가하기 위하여, 용접 구조물에서 발생 가능한 조건들을 모두 고려하기 위하여, 구조 초기의 결함에 의한 특성을 추정할 수 있는 잔류 응력 추정을 구하는 구조를 나타낸 블록도이다.FIG. 11 is a block diagram illustrating a structure for obtaining residual stress estimates capable of estimating characteristics due to defects at the beginning of a structure in order to consider all possible conditions in a welded structure in order to evaluate weld damage and strength characteristics of the structural member. to be.
용접의 시공 조건, 용접에 의한 잔류응력의 탄소성 모델, 용접이음부에서의 잔류응력, 고유응력을 이용한 잔류응력 그리고 이를 이상화 분포에 의해서 각각의 임의 구조부재에 대해서 용접부 손상의 강도 특성평가의 조합화 된 식으로 근사적으로 구조 초기의 결함에 의한 특성을 추정한다. 이 경우, 도 11에 도시된 바와 같은 구조를 통해 구조 초기의 결함에 의한 특성을 추정한다.Combination of strength characteristics of weld damage for each structural member by welding construction conditions, elasto-plastic model of residual stress by welding, residual stress at welded joint, residual stress using natural stress and idealized distribution By approximated equations, we estimate the characteristics due to defects at the beginning of the structure. In this case, the characteristic due to the defect of the initial stage of the structure is estimated through the structure as shown in FIG.
구조 초기의 결함 특성을 고려는 경우에는 도 11에 도시된 바와 같이 탄소성 모델 추정식(1103), 이상화 분포 근사식(1104), 용접 시공 조건 추정식(1105), 용접 이음부 표면 추정식(1106), 및 고유 응력 이용 추정식(1107)을 잔류 응력 분포 프로세스(1101)로 이용한다. In the case of considering the defect characteristics at the beginning of the structure, as shown in FIG. 11, an elasto-plastic
구조 부재의 용접부 특성치로는 해석을 필요로 하는 구조물의 초기결함의 성향인 입열양, 구조부재의 기하학적인 구분, 웰드 조인트(Weld joint), 패스(pass) 수 등이 해당되며, 잔류 응력 분포 프로세스(1101)는 이들 구조 부재의 용접부 물성치를 입력받고(1102), 이들 5개의 구조 초기의 결함의 특성을 고려한 추정식, 즉 구조적인 결함의 분포를 수식적으로 도출할 수 있고, 도출된 수식을 통해 잔류 응력 분포 모듈이 확립될 수 있다(1108). 이는 실제의 구조적인 용접부의 피로강도 특성 평가의 중요한 해석의 변수로 계산되어 진다.The weld characteristics of the structural members include the heat input, the tendency of the initial defects of the structure requiring analysis, the geometrical classification of the structural members, the weld joints, the number of passes, etc. 1110 receives the weld property values of these structural members (1102), and can estimate the distribution of structural defects, that is, an estimation formula that takes into account the characteristics of the defects of these five structural initials, and calculates the derived equations. A residual stress distribution module can be established (1108). This is calculated as a parameter of important analysis of the fatigue strength characteristics evaluation of actual structural welds.
단계 1003에서, 가상공간에서의 시뮬레이션을 통한 건전성을 평가하기 위한 관심영역에 대한 유한 요소 모델링은, 다음의 여러 가지 기존의 상용 프로그램이나 현재 개발 중인 시스템에서 모델링 과정에서 기존의 잔류 응력이 분포한 구조적인 초기결함을 가진 모델로 접근해야 한다. 이 경우 기존의 상용 프로그램인 Partran 이나 Ansys 등을 이용하여 관심영역을 모델링할 수 있다. 그러나 본 발명에 따른 프로그램 내부에서는 기존의 실험용 규격의 시험편의 모양을 입력하면 자동적으로 기존의 규격모델을 외부 전처리 과정(preprocessor)에서 모델링 과정없이 바로 내부적인 Mesh generator를 이용하여 사용할 수 있는 모듈을 탑재하였다. 또한 다음에 시스템 상의 인터페이스 모듈을 통하여 실제 구조적인 문제가 발생한 부분을 서브-모델링 과정을 거치면서 각각의 외력을 줌-인 모델에 적용하여 용접시 발생되는 결함 등의 모델링이 가능하므로, 해석을 통하여 정량적으로 평가 가능하고, 재료가 갖는 고유특성(파단)을 정의하고 구조해석을 수행하여 최종적으로 재료의 손상량의 계산을 한 건정성 평가를 할 수 있다.In step 1003, finite element modeling of a region of interest to evaluate the health through simulation in virtual space is a structure in which existing residual stresses are distributed during modeling in several existing commercial programs or systems currently under development. Approach the model with the initial initial defect. In this case, the region of interest can be modeled using existing commercial programs, Partran or Ansys. However, in the program according to the present invention, if a shape of a test specimen of an existing experimental standard is inputted, a module that automatically uses an existing mesh model without using a modeling process in an external preprocessor without a modeling process is mounted. It was. In addition, through the interface module on the system, it is possible to model the defects generated during welding by applying each external force to the zoom-in model while sub-modeling the actual structural problem. It can be evaluated quantitatively, and it is possible to define the inherent properties (breaks) of a material and perform structural analysis to finally evaluate the health of the material by calculating the damage amount of the material.
도 12는 초기 결함이 정량적으로 계산된 후 최종적인 손상량을 계산하는 과정을 나타낸 흐름도이다.12 is a flowchart illustrating a process of calculating a final damage amount after an initial defect is quantitatively calculated.
용접 효과에 대한 구조적인 초기결함(즉, 잔류 응력)이 정량적으로 계산되면, 먼저, 상술한 내용을 이용하여 재료적인 고유한 파단(破斷)을 정의한다(단계 1201). 그런 다음, 구조적인 해석을 수행한다(단계 1203). 임의의 구조물에 있어서 피로수명 평가는 다음의 3가지 단계로 구성하고 있다. 먼저, 구조 응답에 있어서 재료 정수는 기억 기반 추론을 사용하여 구한다. 두 번째로는 주어진 하중하에서 FEA를 이용하여 구조물의 strain, stress를 구한다. 그리고 마지막으로 응력이 집중되는 영역에서의 strain, stress 값을 소정의 손상 발전 방정식을 통해 손상을 계산한다. Once the structural initial defect (ie residual stress) for the welding effect is calculated quantitatively, first, a material inherent fracture is defined using the foregoing (step 1201). Then, a structural analysis is performed (step 1203). The fatigue life assessment for any structure consists of three steps: First, the material constants in the structural response are obtained using memory-based reasoning. Secondly, under the given load, FEA is used to find the strain and stress of the structure. Finally, the damage and stress values in the stress concentration region are calculated through a predetermined damage generation equation.
다음은, 용접부 피로 평가 수법에 대한 검증으로 다음과 같은 기해석 데이터를 이용하여 피로 특성 평가를 수행한다. 시편은 피로 시험 시편과 동일한 형상이되도록 하였고, 용접비드의 형상에 따라 응력집중이 발생하여 피로수명에 많은 영향을 미치므로 시험편 제작후 비드형상을 측정하여 평균적으로 나타나는 비드의 용접각도 120°를 고려하여 도 13과 같이 모델링 하였다. 또한 실험결과와 탄소성 유한요소해석을 통한 국부변형률 근사법을 비교하였다. 먼저 모델의 3차원해석을 위한 재료의 물성치는 다음과 같고 해석모델은 Solid 8node 요소를 사용하였고, 모재와 용접부 나누어 모델링하였다.Next, the fatigue characteristics evaluation is performed using the following analysis data as verification of the weld fatigue evaluation method. The test specimen was made to have the same shape as the fatigue test specimen, and stress concentration occurs depending on the shape of the weld bead, which greatly affects the fatigue life. Therefore, the average bead welding angle of 120 ° was considered by measuring the bead shape after fabrication of the test specimen. It was modeled as shown in FIG. We also compared the local strain approximation method through the elasto-plastic finite element analysis. First, the material properties for the three-dimensional analysis of the model are as follows. The analytical model uses solid 8node elements, and the model is divided into the base metal and the weld.
해석에 사용한 하중조건은 실험조건과 같은 R=0인 편진 인장하중을 사용하였으며, 최대 주변형률이 같다면 단축 및 다축조건에서 같은 수명을 나타낸다는 최대 주변형률 이론에 따라 유한요소해석을 통하여 하중부과시 최대 주변형률을 나타내는 지점의 주응력과 주변형률의 변화량을 구하고 Manson-Halford식(수학식 5 및 수학식 6)과 SWT식(수학식 7)을 적용하여 피로수명해석을 수행하였다.The load condition used in the analysis was the same as the experimental condition. The same tensile tensile load with R = 0 was used.If the maximum peripheral strain was the same, the finite element analysis was performed according to the maximum peripheral strain theory, which shows the same life under uniaxial and multiaxial conditions. The principal stress and the amount of change of the peripheral strain at the point representing the maximum peripheral strain at the time were obtained and fatigue life analysis was performed by applying Manson-Halford equations (Equations 5 and 6) and SWT equation (Equation 7).
도 14는 용접부 피로수평을 예측하기 위해서 기본적인 재료물성치, 용접부 형상 치수 그리고 용접부 효과를 입력하여 기본적인 구조적 해석을 수행하는 개념 도이다. 도 15는 이러한 구조적인 해석에서 Manson-Halford식과 SWT식을 이용하여 최대 주변형률을 나타내는 지점에서의 피로수명해석을 수행의 도식표이다.FIG. 14 is a conceptual diagram illustrating basic structural analysis by inputting basic material properties, weld shape dimensions, and weld effect in order to predict weld fatigue level. FIG. 15 is a schematic table of fatigue life analysis at a point showing the maximum peripheral strain using the Manson-Halford equation and the SWT equation in this structural analysis.
도 16은 본 발명에 따른 시스템에서 적용하는 있는 용접부 피로수명을 예측 모델을 적용하는 방법이다. Manson-Halford식과 SWT식과 같은 방법으로 주변형률 주응력을 응력집중부에 산출하여 손상역학 유한요소코드에 적용하여 손상 발생량을 정량적으로 계산하여 용접부의 피로수명을 예측하는 도식도이다.16 is a method of applying a predictive model to the weld fatigue life applied in the system according to the present invention. It is a schematic diagram that predicts fatigue life of welds by calculating peripheral strain principal stresses in stress concentration and applying them to damage mechanic finite element codes in the same way as Manson-Halford and SWT equations.
Manson-Halford식과 SWT식과 본 시스템을 이용하여 용접부의 피로평가을 검증하기 위해서 도 17과 같은 모델을 설정하였다. 맞대기 용접에 유한요소모델은 만들었고 용접영향은 고려하지 않고 해석을 수행하였다. 국부변형률 근사법에 의한 피로수명 예측시 반복 응력-변형률 특성치가 필요하며, Tso-Liang Teng의 실험에서의 반복응력-변형률 특성치를 적용하였다 여기서, 사용한 시편의 특성치는 표 2에 도시된다.A model as shown in FIG. 17 was set up to verify the fatigue evaluation of the weld using Manson-Halford equation, SWT equation and the present system. A finite element model was created for butt welding and the analysis was performed without considering the welding effects. Cyclic stress-strain characteristics are required for fatigue life prediction by local strain approximation, and cyclic stress-strain characteristics in Tso-Liang Teng's experiments are applied.
국부변형률근사법에 의한 피로균열 발생수명 예측에서 일반적으로 많이 이용되고 있는 수학식 8의 Basquin-Mansontlr, 평균응력을 고려할 수 있는 수학식 9의 Morrow식과 수학식 10의 Manson-Halford식, 수학식 11의 SWT(Smith, Watson, and Topper)식을 적용하여 수명 예측의 적합성을 검토할 수 있다.Basquin-Mansontlr of
도 18은 Manson-Halfordtlr과 SWT식에 적용하여 피로해석을 수행한 결과를 나타낸 그래프이다. 18 is a graph showing the results of fatigue analysis applied to the Manson-Halfordtlr and SWT equations.
해석에 사용한 하중조건은 실험조건과 같은 R=0인 편진 인장하중을 사용하였으며, 최대 주변형률이 같다면 단축 및 다축조건에서 같은 수명을 나타낸다는 최대 주변형률 이론에 따라 유한요소해석을 통하여 하중부과시 최대 주변형률을 나태내는 지접의 주응력과 주변형률의 변화량을 구하고 도 18과 같이 Manson-Halfordtlr과 SWT식에 적용하여 피로해석을 수행하였다. 여기서 본 발명에 따른 시스템에 사용가능한 범용유한요소 코드인 ANSYS를 이용하여 국부변형률의 값을 사용하였다.The load condition used in the analysis was the same as the experimental condition. The same tensile tensile load with R = 0 was used. The principal stress and the amount of change in peripheral strain of the contact, which represent the maximum peripheral strain at the time, were obtained and fatigue analysis was performed by applying the Manson-Halfordtlr and SWT equations as shown in FIG. Here, the value of local strain was used using ANSYS, a universal finite element code usable in the system according to the present invention.
도 19는 Tso-Lianf Teng에서는 strain-based로 피로평가와 damage-based 평가 기법을 비교하기 위하여 프로그램피로평가 결과를 나타낸다.Figure 19 shows the program fatigue evaluation results in order to compare the fatigue evaluation and damage-based evaluation techniques strain-based in Tso-Lianf Teng.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.Although the present invention has been described with reference to one embodiment shown in the drawings, this is merely exemplary, and those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom. . Therefore, the true technical protection scope of the present invention will be defined by the technical spirit of the appended claims.
본 발명에 따른 피로 강도 평가 방법에 따르면, 몇 가지의 표준적인 기계적 물성치를 이용하여 재료 손상 모델에 필요한 나머지 기계적 물성치를 파악하여 기초 자료를 구성할 수 있고, 시스템 개발에 따른 해석 시간의 감소와 장시간의 시험에 의존한 피로 수명의 예측을 단시간에 가능하게 할 수 있다.According to the fatigue strength evaluation method according to the present invention, it is possible to compose the basic data by grasping the remaining mechanical properties required for the material damage model using a few standard mechanical properties, reducing the analysis time and the long time according to the system development It is possible to make prediction of fatigue life in a short time depending on the test.
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