KR20050123379A - Structure fatigue life analysis system - Google Patents
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Abstract
본 발명은 구조물의 피로 수명 해석 시스템에 관한 것으로, 좀더 상세하게는, 구조물의 피로 하중 해석을 연산하기 위한 피로 수명 예측식이 저장되는 데이터 베이스와, 피로 수명 예측식의 계산에 필요한 구조물의 피로 특성치 및 변수를 입력받는 데이터 입력 모듈과, 데이터 베이스에 저장되어 있는 피로 수명 예측식을 로딩한 뒤 데이터 입력 모듈에 의하여 입력된 피로 특성치 및 변수를 그 피로 수명 예측식에 적용하여 연산을 수행하는 연산/제어 모듈과, 연산/제어 모듈에 의하여 연산된 결과치를 출력하는 데이터 출력 모듈로 이루어지는 구조물의 피로 수명 해석 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a fatigue life analysis system of a structure, and more particularly, a database in which a fatigue life prediction equation for calculating a fatigue load analysis of a structure is stored, and a fatigue characteristic value of a structure required for the calculation of the fatigue life prediction equation and Calculation / control that loads the data input module that receives the variable and the fatigue life prediction formula stored in the database, and then applies the fatigue characteristics and variables inputted by the data input module to the fatigue life prediction formula to perform the calculation. The present invention relates to a fatigue life analysis system for a structure including a module and a data output module for outputting a result calculated by the calculation / control module.
본 발명에 따르면, 구조물의 피로 하중 해석 시에 구조물의 특성치를 입력받은 뒤, 구조물의 기계적 가공에 따라 발생되는 초기의 잔류응력 및 피로 하중에 의한 이완을 고려하여 정확한 피로 수명 해석 데이터를 자동 출력할 수 있는 장점이 있다. According to the present invention, after receiving the characteristic value of the structure during the fatigue load analysis of the structure, the accurate fatigue life analysis data can be automatically output in consideration of the initial residual stress generated by the mechanical processing of the structure and the relaxation by the fatigue load. There are advantages to it.
Description
본 발명은 구조물의 피로 하중 해석 시에 구조물의 특성치를 입력받은 뒤, 구조물의 기계적 가공에 따라 발생되는 초기의 잔류응력 및 피로 하중에 의한 이완을 고려하여 정확한 피로 수명 해석 데이터를 자동 출력할 수 있는 구조물의 피로 수명 해석 시스템에 관한 것이다. The present invention can automatically output accurate fatigue life analysis data in consideration of the initial residual stress and the relaxation caused by the fatigue load after receiving the characteristic values of the structure during the fatigue load analysis of the structure. A fatigue life analysis system of a structure.
일반적으로, 산업 현장에서 구조물, 기계부품, 자동차 및 항공기의 부재 등은 그 안전성이 보장되게 설계되어야 하며, 또한 재료의 절감을 위하여 고강도화, 경량화 설계를 도입하고 있다.In general, the structural, mechanical parts, automobiles and aircraft members in the industrial site should be designed to ensure the safety, and also to increase the material design to increase the strength and weight.
피로 수명 해석은 이러한 부재 설계의 필수적 요소의 하나로서, 피로 하중이 작용하는 부재에 대하여 피로 수명을 정확하게 예측함으로써 부재 파단의 원인을 정확하게 진단하여 수명을 연장시킬 수 있도록 하고, 그 결과에 따라 구조물의 사이즈나 가공을 설계 및 수행할 수 있도록 하는 것이다.Fatigue life analysis is one of the essential elements of the member design, and by accurately predicting the fatigue life of the member under the fatigue load, it is possible to accurately diagnose the cause of member failure and prolong the service life. It is to be able to design and perform the size or processing.
통상, 재료의 탄성 한계 이내의 낮은 하중이 작용하는 구조물에서는 통상적으로, 재료에 작용하는 응력과 반복수가 고려된 함수에서 도출할 수 있는 응력-반복수곡선(S-N Curve : Stress-Number of Cycles Curve)으로 피로 수명을 평가한다.Typically, in structures with low loads within the elastic limit of the material, a stress-number of cycles curve (SN Curve) can be derived from a function that takes into account the stresses and repetitions of the material. To evaluate fatigue life.
그런데, 부재의 수명은 부재 내부의 미소 결함, 재료중의 불순물 및 기공 등의 초기결함과, 노치(Notch), 필렛(fillet), 체결 홀 등과 같은 설계 상의 불가피한 응력 집중부에서 낮은 응력 하에서도 계속적인 반복 하중의 작용으로 피로 균열이 발생, 전파되어 최종 파단에 도달하게 된다.However, the life of the member continues even under low stress in initial defects such as micro defects in the member, impurities and pores in the material, and inevitable stress concentrations in the design such as notches, fillets, and fastening holes. Fatigue cracks are generated and propagated by the action of a constant cyclic load to reach the final fracture.
따라서, 이렇게 노치나 기하학적인 형상으로 인하여 수명 예측에 고려할만한 응력 집중이 발생하는 부위에서는 소성 변형이 지배적이어서 변형률-반복수곡선(ε- N Curve)이 수명 예측의 기본 자료가 된다. Therefore, the plastic strain is dominant in the areas where stress concentrations that can be considered for life prediction due to notches or geometrical shapes are predominant, and the strain-repeat curve (ε-N Curve) becomes the basic data for life prediction.
이러한 변형률-반복수곡선은 소정의 함수에 의하여 표현될 수 있는데,This strain-repetition curve can be expressed by a function,
먼저, 총 변형률은 두 개의 성분 즉, 탄성 변형률(Δεe)과 소성 변형률(Δεp)로써 다음과 같이 나타낼 수 있다.First, the total strain may be expressed as two components, namely, an elastic strain Δεe and a plastic strain Δεp.
이때, Δε= εmax + εmin로서, 탄-소성 변형률 범위이며, 국부 응력을 받은 재료의 탄-소성 변형률 범위와 피로 수명의 관계를 다음과 같이 얻을 수 있다.At this time, as Δε = εmax + εmin, the relationship between the elastic plastic strain range and the fatigue life of the material under local stress can be obtained as follows.
여기서, σ'f 은 피로강도계수, b는 피로강도지수, ε'f는 피로연성계수, c는 피로연성지수로서 구조물 고유의 피로 특성치이며, 2Nf는 파괴까지의 반복수를 의미한다.Where σ'f is the fatigue strength coefficient, b is the fatigue strength index, ε'f is the fatigue ductility index, c is the fatigue ductility index, and the fatigue characteristic inherent to the structure, and 2Nf is the number of repetitions until fracture.
그리고, 평균응력(σo)의 영향을 고려한, 탄성변형률이 지배적인 변형률과 균열발생수명의 관계는 다름과 같이 주어진다.In addition, considering the influence of the average stress σ o, the relationship between the strain and the crack initiation life in which the elastic strain dominates is given as follows.
따라서, 구조물의 피로 수명 해석을 위해서는 구조물의 피로 특성치를 추출하고, 응력이 고려된 변형률과 균형발생 수명과의 관계식에 피로 특성치를 적용하여 구조물의 피로 수명을 예측할 수 있게 된다.Therefore, in order to analyze the fatigue life of the structure, it is possible to extract the fatigue property of the structure, and to predict the fatigue life of the structure by applying the fatigue property value to the relation between the strain in which stress is considered and the balanced generation life.
그런데, 용접, 열처리, 숏피닝(Shot-peening) 또는 냉간 가공(Cold-Working) 등과 같이 구조물에 압축에 따른 잔류응력(Residual Stress)을 유발시키는 기계적 가공을 구조물에 수행할 경우, 피로 수명 해석 시에 그 잔류응력의 존재를 무시하고 설계 시에 구조물을 실제 사이즈보다 크게 설계하였다.However, when performing mechanical processing on the structure such as welding, heat treatment, shot-peening or cold-working, which causes residual stress due to compression in the structure, The structure was designed to be larger than its actual size at design time, ignoring the presence of residual stresses.
따라서, 이와 같은 경우 구조물의 피로 수명을 정확하게 예측할 수 없을 뿐만 아니라, 구조물의 사이즈 확대에 따른 불필요한 비용이 소모되는 문제점이 발생하는 것이 사실이다.Therefore, in this case, it is true that not only the fatigue life of the structure cannot be accurately predicted, but also the unnecessary cost of the size of the structure is consumed.
또한, 종래에는 이러한 피로 수명 해석을 자동 수행하는 시스템이 없어, 수작업으로 상술한 계산 및 예측 작업을 수행하여야 하므로, 인적 및 시간적 소모가 막대하며 전문적인 지식을 갖춘 분석자가 아니면 피로 수명 예측 자체가 불가능한 문제점을 가진다. In addition, since there is no system for automatically performing such fatigue life analysis in the related art, the above-described calculation and prediction work must be performed by hand, and thus, human and time consumption are enormous, and fatigue life prediction itself is impossible unless an expert with expert knowledge is provided. I have a problem.
본 발명은 이러한 문제점들을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 구조물의 특성치를 입력받은 뒤, 구조물의 기계적 가공에 따라 발생되는 초기의 잔류응력 및 피로 하중에 의한 이완을 고려하여 정확한 피로 수명 해석 데이터를 출력하는 구조물의 피로 하중 해석 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다. The present invention was devised to solve these problems, and after inputting the characteristic value of the structure, and outputting accurate fatigue life analysis data in consideration of the relaxation by the initial residual stress and fatigue load generated by the mechanical processing of the structure Its purpose is to provide a fatigue load analysis system for structures.
이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 구조물의 피로 하중 해석을 연산하기 위한 피로 수명 예측식이 저장되는 데이터 베이스와, 피로 수명 예측식의 계산에 필요한 구조물의 피로 특성치 및 변수를 입력받는 데이터 입력 모듈과, 데이터 베이스에 저장되어 있는 피로 수명 예측식을 로딩한 뒤 데이터 입력 모듈에 의하여 입력된 피로 특성치 및 변수를 그 피로 수명 예측식에 적용하여 연산을 수행하는 연산/제어 모듈과, 연산/제어 모듈에 의하여 연산된 결과치를 출력하는 데이터 출력 모듈로 구성된다.In order to achieve the above object, the present invention provides a database for storing a fatigue life prediction equation for calculating a fatigue load analysis of a structure, a data input module for receiving fatigue characteristics and variables of a structure required for calculating the fatigue life prediction equation. In the calculation / control module and the calculation / control module, the fatigue life prediction equation stored in the database is loaded and the fatigue characteristic values and variables inputted by the data input module are applied to the fatigue life prediction equation to perform the calculation. It consists of a data output module for outputting the result calculated by the.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 이 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조로 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily implement the present invention in detail.
우선, 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 동일한 부호를 가지도록 기재하였다.First, in adding reference numerals to components of each drawing, the same components are described so as to have the same reference numerals as much as possible even if displayed on different drawings.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 구조물의 피로 수명 해석 시스템의 구성을 나타내는 블록도이다.1 is a block diagram showing the configuration of a fatigue life analysis system of a structure according to a preferred embodiment of the present invention.
도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 구조물의 피로 수명 해석 시스템은 데이터 베이스(140), 데이터 입력 모듈(110), 연산/제어 모듈(101) 및 데이터 출력 모듈(120)로 이루어진다.As shown, the fatigue life analysis system of a structure according to a preferred embodiment of the present invention consists of a database 140, a data input module 110, a calculation / control module 101 and a data output module 120.
데이터 베이스(140)는 구조물의 피로 하중 해석을 연산하기 위한 피로 수명 예측식이 저장되며, 연산/제어 모듈(101)에 의한 연산 결과 및 데이터 출력 모듈(120)에 의하여 출력된 피로 수명 해석 결과가 검색 및 조회 가능하도록 저장 관리된다.The database 140 stores a fatigue life prediction equation for calculating a fatigue load analysis of the structure, and the fatigue life analysis results output by the data output module 120 and the calculation results by the calculation / control module 101 are retrieved. And stored so as to be inquired.
이때, 상기 피로 수명 예측식 및 그 유도 과정을 설명한다.In this case, the fatigue life prediction equation and its induction process will be described.
앞서 언급한 수학식 3에서 평균응력으로부터 탄성-소성 변형률의 비를 독립적으로 유지하기 위하여, 탄성과 소성항을 모두 수정하면,In order to maintain the ratio of elastic-plastic strain independently from the average stress in Equation 3 mentioned above, if both elasticity and plasticity terms are modified,
와 같고, 평균응력의 효과를 설명하기 위하여, 완전교번 하중에 대하여 다음의 또 다른 식을 제안하면,In order to explain the effect of the mean stress, we propose another equation for the complete alternating load:
그리고, 상기 수학식 4에 이를 적용하면,And, applying this to the equation (4),
과 같다. Same as
이때, σmax는 다음과 같이 평가된다.At this time, sigma max is evaluated as follows.
이때, 피로하중에 의한 반복응력은 피로수명증가에 유효한 압축 잔류응력을 이완시킨다. 따라서, 초기 균열발생 및 균열진전수명을 감소시켜, 피로 강도를 저하시킨다.At this time, the cyclic stress due to the fatigue load relaxes the compressive residual stress effective for increasing the fatigue life. Therefore, initial cracking and crack propagation life are reduced, and fatigue strength is lowered.
이러한 잔류응력 이완 효과를 수학식 5를 이용하여 피로 수명 예측식에 적용하면,When the residual stress relaxation effect is applied to the fatigue life prediction equation using Equation 5,
이때, σri는 기계적 가공 후의 초기 잔류응력, σrc는 임의의 반복하중 상태에서의 잔류응력이며, k는 잔류응력 이완지수(Relaxation Exponent)이다. 따라서, 이를 수학식 3에 적용하면 변형률과 균열발생수명과의 관계를 나타내는 피로 수명 예측식은,Where sri is the initial residual stress after mechanical machining, src is the residual stress at any cyclic loading, and k is the residual stress relaxation exponent. Therefore, when it is applied to Equation 3, the fatigue life prediction equation representing the relationship between strain and crack initiation life is
와 같다. 즉, 수학식 9에 나타낸 피로 수명 예측식에는 일반적 피로 수명 예측식에 주조물의 초기 압축 잔류응력 및 그 구조물의 운용 중에 이완되는 잔류응력을 반영한 잔류응력 이완지수가 고려되어 있다.Same as That is, in the fatigue life prediction equation shown in Equation 9, the residual stress relaxation index reflecting the initial compressive residual stress of the casting and the residual stress that is relaxed during operation of the structure is considered in the general fatigue life prediction equation.
한편, 데이터 입력 모듈(110)은 구조물의 피로 수명 해석을 위하여 피로 수명 예측 식의 계산에 필요한 구조물의 피로 특성치 및 변수를 입력받아 연산/제어 모듈(101)로 전달하는 기능을 수행한다.On the other hand, the data input module 110 receives the fatigue characteristics and variables of the structure required for the calculation of the fatigue life prediction equation for the fatigue life analysis of the structure and performs a function to transfer to the calculation / control module 101.
표 1은 데이터 입력 모듈(110)로부터 입력되는 구조물의 피로 특성치의 일례를 나타내는 도표로서, 구조물의 피로강도계수, 피로강도지수, 피로연성계수, 피로연성지수 등이 입력되는 것을 알 수 있다.Table 1 is a diagram showing an example of the fatigue characteristics of the structure input from the data input module 110, it can be seen that the fatigue strength coefficient, fatigue strength index, fatigue ductility coefficient, fatigue ductility index, etc. are input.
연산/제어 모듈(101)은 피로 수명 해석 시스템 내의 각 모듈(110~140)들간의 상호 작용 및 데이터 흐름을 전체적으로 제어하며, 데이터 베이스(140)에 저장되어 있는 피로 해석 예측식을 로딩한 뒤, 데이터 입력 모듈(110)로부터 입력된 피로 특성치 및 변수를 전달받아 로딩된 피로 해석 예측식에 적용하여 연산을 수행하고 그 결과를 데이터 출력 모듈(120)로 전달하는 기능을 수행한다.The calculation / control module 101 controls the interaction and data flow between the modules 110 to 140 in the fatigue life analysis system as a whole, and loads the fatigue analysis prediction equation stored in the database 140. It receives the fatigue characteristic values and variables input from the data input module 110 and applies them to the loaded fatigue analysis prediction equation to perform the calculation and transfer the result to the data output module 120.
데이터 출력 모듈(120)은 연산/제어 모듈(101)에 의하여 전달되는 계산 결과치를 출력하는 기능을 수행한다. The data output module 120 performs a function of outputting a calculation result value transmitted by the calculation / control module 101.
도 2는 냉간 가공을 실시한 구조물 시험편과 미실시한 구조물 시험편에 대한 수명 예측 결과와 실지 수명의 상관 관계를 도시하는 그래프로서, 냉간 가공 실시 전후의 수명 예측 결과가 실지 수명과 유사하게 일치하는 것을 알 수 있다.FIG. 2 is a graph showing the correlation between the life prediction results and the actual lifespans of the structure test pieces subjected to cold working and the structure test pieces not performed, and it can be seen that the life prediction results before and after cold working coincide with the actual life. have.
이상, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 상세히 기술하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 사람이라면, 첨부된 청구 범위에 정의된 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명을 여러 가지로 변형 또는, 변경하여 실시할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 앞으로의 실시 예들의 변경은 본 발명의 기술을 벗어날 수 없을 것이다. As mentioned above, although preferred embodiments of the present invention have been described in detail, those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains should realize the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention as defined in the appended claims. It will be appreciated that various modifications or changes can be made. Accordingly, modifications to future embodiments of the present invention will not depart from the technology of the present invention.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 구조물의 피로 하중 해석 시에 구조물의 특성치를 입력받은 뒤, 구조물의 기계적 가공에 따라 발생되는 초기의 잔류응력 및 피로 하중에 의한 이완을 고려하여 정확한 피로 수명 해석 데이터를 자동 출력할 수 있는 장점이 있다.As described above, according to the present invention, after receiving the characteristic values of the structure during the fatigue load analysis of the structure, accurate fatigue life analysis data in consideration of the initial residual stress and the relaxation caused by the fatigue load caused by the mechanical processing of the structure There is an advantage that can be output automatically.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 구조물의 피로 수명 해석 시스템의 구성을 나타내는 블록도이다.1 is a block diagram showing the configuration of a fatigue life analysis system of a structure according to a preferred embodiment of the present invention.
도 2는 냉간 가공을 실시한 구조물 시험편과 미실시한 구조물 시험편에 대한 수명 예측 결과와 실지 수명의 상관 관계를 도시하는 그래프이다.2 is a graph showing the correlation between the life prediction results and the actual life for structural test pieces subjected to cold working and structural test pieces not carried out.
<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
101 : 연산/제어 모듈101: operation / control module
110 : 데이터 입력 모듈110: data input module
120 : 데이터 출력 모듈120: data output module
140 : 데이터 베이스 140: database
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