기계 장치는 운영 중에 운전 조건에 따라 온도, 압력, 유량 등과 같은 운전 변수의 변화를 받게 되고, 이는 기계 장치를 이루는 재료 내에 피로를 발생시킨다. 이렇게 발생되는 피로는 공학적 계산을 통해 수치화할 수 있고, 이를 근거로 하여 장치의 수명을 예측할 수 있다.
그렇지만, 기존의 기술을 이용하여 기계 장치 내에서 발생하는 피로를 수치화하는 방법에 있어서는, 피로의 값이 과대평가되어 이를 근거로 하여 계산하는 장 치의 예측 수명이 단축된다.
식 (1)은 기계 장치 내에서 발생하는 누적 피로 사용계수의 계산식으로, 누적 피로 사용계수는 각각의 과도상태(1, 2, …, n)에서 발생하는 피로의 사용계수들의 합으로 표시된다. 즉,
여기서,
은 임의의 과도상태(n)에서의 누적 피로 사용계수를 의미한다.
과도상태란 장치의 운전 조건 변화에 기인하여 온도, 압력, 유량 등의 운전 변수가 시간에 따라 계속적으로 변화하는 상태를 말한다.
식 (2)는 종래의 피로 사용계수 계산방법에 따른 피로의 피로 사용계수 계산식으로서, 임의의 과도상태(n)에서의 누적 피로 사용계수는 임의의 과도상태(n) 발생 전까지 누적된 누적 피로 사용계수에 설계 과도상태 조건에 기반하여 계산된 피로 사용계수를 더해서 구해진다. 즉,
여기서,
은 임의의 과도상태(n)에서의 누적 피로 사용계수를 의미하고, 우변의 첫번째 항은 임의의 과도상태(n) 발생 전까지의 누적 피로 사용계수를 의미하며, 우변의 두번째 항은 과도상태 조건에 기반하여 계산된 피로 사용계수를 의미한다.
설계 과도상태란 장치의 설계 단계에서 규정한 과도상태로서, 운전 기간동안 발생이 예상되는 운전 변수의 변화를 말한다.
상기한 바와 같은 종래의 계산방법에서는, 상기의 식 (2)에서와 같이 운전 과도상태가 발생하는 경우라도 설계 과도상태에 해당하는 피로 사용계수를 산출하여 사용하기 때문에, 실제 피로 사용계수보다 큰 값을 갖게 된다. 결과적으로, 식 (1)의 누적 피로 사용계수가 증가하고, 동시에 장치의 예측 수명이 단축되는 단점이 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 사정을 고려하여 이루어진 것으로, 운전 과도상태를 기반으로 하여 특성 피로 사용계수를 산출함으로써, 설계 과도상태를 기반으로 한 피로 사용계수에 비해 낮으면서 정확한 피로 사용계수 값을 계산할 수 있는 과도상태 기반의 피로 사용계수 산출장치 및 그 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 발명자들은, 장치 운영 중에 발생하는 운전 환경 변화의 영향에 대해 연구를 거듭한 결과, 기계 장치 운전 중에 발생하는 운전 환경 변화의 영향을 고려하여 장치에 발생하는 피로값을 정확하게 계산할 수 있는 특성 피로 사용계수 곡선을 구할 수가 있었다.
본 발명은, 이러한 특성 피로 사용계수 곡선을 이용하여 피로 사용계수를 산출함으로써, 수치화된 피로도인 피로 사용계수를 정확하게 계산할 수 있도록 하고 있는 것이다. 보다 상세하게는, 기계 장치 설계 시에 실제로 발생한 운전 변수 변화를 반영할 수 있도록 하기 위해, 운전 변수 변화를 예측하여 계산된 피로 사용계수에 일정 비율을 곱해서 새로운 피로 사용계수를 계산하고, 이 과정을 주요한 운전 변수에 대해 반복적으로 수행함으로써, 특성 피로 사용계수 곡선을 얻고 있다. 그 결과, 이러한 특성 피로 사용계수 곡선을 이용함으로써, 기계 장치 운전 중에 발생 가능한 임의의 운전 환경 변화에 기인하여 장치 내의 재료에 발생하는 피로 사용계수를 산출함에 있어 그 정확도를 대폭 향상시킬 수 있었다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1 국면에 따르면, 기계 장치 운전 중에 발생하는 과도상태가 장치를 구성하는 재료 내부의 피로도에 미치는 영향을 계산하는 피로 사용계수 산출장치로서, 상기 기계 장치 운전 중에 발생하는 과도상태에 관한 정보를 입력하는 과도상태 입력부와; 상기 운전 과도상태를 기반으로 한 특성 피로 사용계수를 계산하는 특성 피로 사용계수 계산부와; 상기 특성 피로 사용계수 계산부에 의해 계산된 특성 피로 사용계수를 이용하여 특성 피로 사용계수 곡선을 작성하는 특성 피로 사용계수 곡선 작성부와; 상기 운전 과도상태를 기반으로 한 피로 사용계수를 계산하는 피로 사용계수 계산부와; 상기 피로 사용계수 계산부에 의해 계산된 피로 사용계수를 이용하여 운전 과도상태 기반의 누적 피로 사용계수를 계산하는 누적 피로 사용계수 계산부와; 상기 누적 피로 사용계수 계산부에 의해 계산된 누적 피로 사용계수를 출력하는 누적 피로 사용계수 출력부를 구비하여 이루어진 피로 사용계수 산출장치가 제공된다.
본 발명의 제2 국면에 따르면, 청구항 1에 기재된 피로 사용계수 산출장치에 의해 수행되어, 기계 장치 운전 중에 발생하는 과도상태가 그 기계 장치를 구성하는 재료 내부의 피로도에 미치는 영향을 계산하는 피로 사용계수 산출방법으로서, 상기 산출장치의 과도상태 입력부에 의해, 상기 기계 장치로부터 운전 중에 발생하는 과도상태에 관한 정보를 입력받는 단계와; 상기 산출장치의 특성 피로 사용계수 계산부에 의해, 상기 과도상태 입력부에 의해 입력된 상기 과도상태 정보를 이용하여 운전 과도상태를 기반으로 한 특성 피로 사용계수를 계산하는 단계와; 상기 산출장치의 특성 피로 사용계수 곡선 작성부에 의해, 상기 특성 피로 사용계수 계산부에 의해 계산된 특성 피로 사용계수의 값을 이용하여 특성 피로 사용계수 곡선을 작성하는 단계와; 상기 산출장치의 피로 사용계수 계산부에 의해, 상기 특성 피로 사용계수 곡선 작성부에 의해 작성된 피로 사용계수 곡선을 이용하여 운전 과도상태를 기반으로 한 피로 사용계수를 계산하는 단계와; 상기 산출장치의 누적 피로 사용계수 계산부에 의해, 상기 피로 사용계수 계산부에 의해 계산된 피로 사용계수를 이용하여 운전 과도상태 기반의 누적 피로 사용계수를 계산하는 단계와; 상기 산출장치의 누적 피로 사용계수 출력부에 의해, 상기 누적 피로 사용계수 계산부에 의해 계산된 누적 피로 사용계수를 출력하는 단계를 구비하여 이루어진 것을 특징으로 하는 피로 사용계수 산출방법이 제공된다.
또, 과도상태 발생 전까지 누적된 피로 사용계수에 운전 과도상태를 기반으로 하여 계산된 피로 사용계수를 더해서 과도상태 발생 후의 누적 피로 사용계수를 구하는 것이 바람직하다.
또, 설계 과도상태 기반의 피로 사용계수에 특성 피로 사용계수의 값을 곱하여 운전 과도상태 기반의 피로 사용계수를 구하는 것이 바람직하다.
또, 특성 피로 사용계수 계산식을 설계 과도상태 조건에 근거하여 계산한 반복 허용횟수와 운전 과도상태에 근거한 허용 반복횟수의 비율로서 나타내는 것이 바람직하다.
또, 다양한 과도상태에 대해 특성 피로 사용계수 값을 구하고, 이를 이용하여 특성 피로 사용계수 곡선을 작성하는 것이 바람직하다.
더욱이, 작성된 특성 피로 사용계수 곡선을 이용하여 특성 피로 사용계수에 해당하는 특성 피로 사용계수 값을 구하고, 이를 설계 과도상태 기반의 피로 사용계수에 곱하여 운전 과도상태 기반의 피로 사용계수를 구하는 것이 바람직하다.
본 발명은, 운전 과도상태로 인하여 기계 장치를 이루는 재료 내에 발생하는 피로 사용계수를 산출하는 장치 및 방법에 있어서, 설계 과도상태를 사용하는 기존 방법의 과도한 보수성을 제거하고, 합리적인 피로 사용계수를 산출하기 위해 안출된 것으로서, 운전 과도상태를 반영할 수 있는 특성 피로 사용계수 곡선을 이용한 알고리즘을 개발함으로써 기계 장치의 피로 사용계수 산출의 정확성을 대폭적으로 높일 수 있다.
이하, 본 발명의 과도상태 기반의 피로 사용계수 산출장치 및 그 방법에 대해 상세히 설명한다.
본 발명의 피로 사용계수 산출장치는, 기계 장치 운전 중에 발생하는 과도상태가 장치를 구성하는 재료 내부의 피로도에 미치는 영향을 계산하는 피로 사용계수 산출장치이다.
도 1은 본 발명에 따른 피로 사용계수 산출장치의 블록구성도를 나타낸다.
도 1에 있어서, 도면번호 10은 과도상태 입력부로서, 상기 기계 장치 운전 중에 발생하는 과도상태에 관한 정보를 입력받는 것이다. 20은 상기 운전 과도상태를 기반으로 한 특성 피로 사용계수를 계산하는 특성 피로 사용계수 계산부이고, 30은 상기 특성 피로 사용계수 계산부(20)에 의해 계산된 특성 피로 사용계수를 이용하여 특성 피로 사용계수 곡선을 작성하는 특성 피로 사용계수 곡선 작성부이다. 또, 40은 상기 운전 과도상태를 기반으로 한 피로 사용계수를 계산하는 피로 사용계수 계산부이고, 50은 상기 피로 사용계수 계산부(40)에 의해 계산된 피로 사용계수를 이용하여 운전 과도상태 기반의 누적 피로 사용계수를 계산하는 누적 피로 사 용계수 계산부이며, 60은 상기 누적 피로 사용계수 계산부(50)에 의해 계산된 누적 피로 사용계수를 출력하는 누적 피로 사용계수 출력부이다.
식 (3)은 실제 운전 과도상태를 고려한 피로 사용계수 계산식으로서, 임의의 과도상태(n)에서의 운전 과도상태에 기초해서 계산된 누적 피로 사용계수(
)는 과도상태 발생 전까지의 피로 사용계수(
)와 과도상태 발생에 따른 피로 사용계수(
)의 합으로 나타낸다. 즉,
식 (4-1)은 본 발명에서 안출된 운전 과도상태 기반의 피로 사용계수 계산식이다. 즉,
이 중 식 (4-1)로부터 알 수 있는 바와 같이, 운전 과도상태 기반의 피로 사용계수(
)는 설계 과도상태 기반의 피로 사용계수(
)에 특성 피로 사용계수 값(F(k))을 곱하여 구해진다. 식 (4-1)에 있어서, 설계 과도상태 기반의 피로 사용계수(
) 및 운전 과도상태 기반의 피로 사용계수(
)는 식 (5) 및 식 (6)과 같이 표현되므로, 이를 식 (4-1)에 대입하면, 특성 피로 사용계수의 계산식이 후술하는 식 (7)과 같이 구해진다.
식 (4-2)는 시간에 따른 온도변화율의 비(k)를 나타낸다. 즉,
여기서,
는 해당 운전 과도상태의 시간에 따른 온도변화율이고,
는 설계 과도상태의 시간에 따른 온도변화율이다.
식 (5)는 설계 과도상태 발생에 따른 피로 사용계수 계산식으로서, 설계 시에 정해진 과도상태 반복횟수(
)를 설계 과도상태의 발생에 근거하여 계산한 반복 허용횟수(
)로 나눔으로써, 설계 과도상태 발생에 따른 피로 사용계수(
)를 계산한다. 즉,
식 (6)은 운전 과도상태에 따른 피로 사용계수 계산식으로서, 설계 시에 정해진 과도상태 반복횟수(
)를 설계 과도상태의 발생에 근거하여 계산한 반복 허용횟수(
)로 나눔으로써 운전 과도상태에 따른 피로 사용계수(
)를 계산한다. 즉,
일반적으로, 설계 과도상태는 실제 발생하는 운전 과도상태와 비교하여 재료의 피로 발생에 미치는 영향이 크기 때문에, 설계 과도상태에 근거한 허용 반복횟 수는 운전 과도상태에 근거한 허용 반복횟수보다 작아진다. 따라서, 상기의 식 (5)의 설계 과도상태에 따른 피로 사용계수는 상기의 식 (6)의 운전 과도상태에 따른 피로 사용계수보다 커진다.
식 (7)은 특성 피로 사용계수 값(F(k))을 나타내는 것으로, 동작 과도상태의 발생에 근거하여 계산한 반복 허용횟수(
)를 설계 과도상태의 발생에 근거하여 계산한 반복 허용횟수(
)로 나눔으로써, 특성 피로 사용계수 값(F(k))을 계산한다. 즉,
도 3은 특정 운전 과도상태에 대하여 구한 특성 피로 사용계수 곡선의 예를 나타낸 도면이다. 도 1의 특성 피로 사용계수 계산부(20)에 의한 운전 과도상태 기반의 피로 사용계수의 계산은, 식 (4-1)에서와 같이 k1 및 k2의 값에 의해 결정된 특성 피로 사용계수 값(F(k))을 설계 과도상태 조건에 기반하여 계산된 피로 사용계수(
)에 곱함으로써 구해진다. 즉, 특성 피로 사용계수 곡선은, 발생 가능한 다양한 온도의 시간에 따른 변화율(
)을 실제 재료 내부 온도의 시간에 따른 변화율(
) 로 나눔으로써 시간에 따른 온도변화율의 비(k; k1, k2)를 계산하고, 계산된 k1 및 k2를 이용해 특성 피로 사용계수[식 (7)의 F(k)]를 계산함으로써, 도 3과 같이 표시할 수 있다.
다음에는 본 발명에 따른 피로 사용계수 산출방법에 대해 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 피로 사용계수 산출장치의 동작을 설명하기 위한 플로우차트이다.
본 발명에 따른 피로 사용계수 산출방법은, 기계 장치 운전 중에 발생하는 과도상태가 장치를 구성하는 재료 내부의 피로도에 미치는 영향을 계산하는 피로 사용계수 산출방법이다.
먼저, 상기 기계 장치 운전 중에 발생하는 과도상태에 관한 정보를 입력하고(S100), 상기 운전 과도상태를 기반으로 한 특성 피로 사용계수를 계산하며(S101), 계산한 특성 피로 사용계수를 이용하여 특성 피로 사용계수 곡선을 작성한다(S102).
그 후, 상기 운전 과도상태를 기반으로 한 피로 사용계수를 계산하고(S103), 계산한 피로 사용계수를 이용하여 운전 과도상태 기반의 누적 피로 사용계수를 계산하며(S104), 계산한 누적 피로 사용계수를 출력한다(S105).
또, 과도상태 발생 전까지 누적된 피로 사용계수에 운전 과도상태를 기반으로 하여 계산된 피로 사용계수를 더해서 과도상태 발생 후의 누적 피로 사용계수를 구하는 것도 가능하다.
또, 설계 과도상태 기반의 피로 사용계수에 특성 피로 사용계수의 값을 곱하여 운전 과도상태 기반의 피로 사용계수를 구하는 것도 가능하다.
또, 특성 피로 사용계수 계산식을 설계 과도상태 조건에 근거하여 계산한 반복 허용횟수와 운전 과도상태에 근거한 허용 반복횟수의 비율로서 나타내는 것도 가능하다.
또, 다양한 과도상태에 대해 특성 피로 사용계수 값을 구하고, 이를 이용하여 특성 피로 사용계수 곡선을 작성하는 것도 가능하다.
더욱이, 작성된 특성 피로 사용계수 곡선을 이용하여 특성 피로 사용계수에 해당하는 특성 피로 사용계수 값을 구하고, 이를 설계 과도상태 기반의 피로 사용계수에 곱하여 운전 과도상태 기반의 피로 사용계수 구하는 것도 가능하다.