KR20070039293A - 용접 이음부의 피로강도 평가 방법 - Google Patents

용접 이음부의 피로강도 평가 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20070039293A
KR20070039293A KR1020050094460A KR20050094460A KR20070039293A KR 20070039293 A KR20070039293 A KR 20070039293A KR 1020050094460 A KR1020050094460 A KR 1020050094460A KR 20050094460 A KR20050094460 A KR 20050094460A KR 20070039293 A KR20070039293 A KR 20070039293A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
damage
model
steel
fatigue
analysis
Prior art date
Application number
KR1020050094460A
Other languages
English (en)
Other versions
KR100706048B1 (ko
Inventor
안규백
이제명
허희영
조시훈
Original Assignee
삼성중공업 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 삼성중공업 주식회사 filed Critical 삼성중공업 주식회사
Priority to KR1020050094460A priority Critical patent/KR100706048B1/ko
Publication of KR20070039293A publication Critical patent/KR20070039293A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100706048B1 publication Critical patent/KR100706048B1/ko

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K37/00—Auxiliary devices or processes, not specially adapted to a procedure covered by only one of the preceding main groups
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N3/32—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying repeated or pulsating forces
    • G01N3/34—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying repeated or pulsating forces generated by mechanical means, e.g. hammer blows
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N2203/0058—Kind of property studied
    • G01N2203/0069—Fatigue, creep, strain-stress relations or elastic constants
    • G01N2203/0073—Fatigue

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)

Abstract

유전적 알고리즘 기법을 이용하여 재료 손상 모델에 필요한 각종 재료 상수들을 결정하는 피로 강도 평가 방법이 개시된다.
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.
피로 강도, 강재의 용접 이음부, 손상 역학, 유전적 알고리즘

Description

용접 이음부의 피로강도 평가 방법{A method of development of fatigue assessment of welding joint}
도 1은 본 발명에 따른 최적화 기법을 도식적으로 나타낸 블록도이다.
도 2는 추론 엔진에서의 재료 상수 추론 단계를 나타낸 흐름도이다.
도 3은 미경험용 강재의 재료 정수를 결정하는 단계를 나타내는 흐름도이다.
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.
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 상구의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 8은 소성변형률 속도의 정의에서 점소성 매개변수(S; viscoplastic parameters)와 재료 손상 변수의 관계를 수치적인 관계를 나타낸 그래프이다.
도 9는 경험식과 실제의 미경험 강재를 비교한 그래프이다.
도 10은 구조적 건전성을 평가하는 과정을 나타낸 흐름도이다.
도 11은 구조 초기의 결함에 의한 특성을 추정할 수 있는 잔류 응력 추정을 구하는 구조를 나타낸 블록도이다.
도 12는 초기 결함이 정량적으로 계산된 후 최종적인 손상량을 계산하는 과정을 나타낸 흐름도이다.
도 13은 기해석 데이터를 이용하여 피로 특성 평가를 수행하기 위한 모델링의 일 예이다.
도 14는 용접부 피로수평을 예측하기 위해서 기본적인 재료물성치, 용접부 형상 치수 그리고 용접영향효과를 입력하여 기본적인 구조적 해석을 수행하는 개념도이다.
도 15는 이러한 구조적인 해석에서 Manson-Halford식과 SWT식을 이용하여 최대 주변형률을 나타내는 지점에서의 피로수명해석 수행의 도식표이다.
도 16은 본 시스템에서 적용하는 있는 용접부 피로수명 예측 모델을 적용하는 방법이다
도 17은 Manson-Halford식과 SWT식과 본시스템에서 용접부의 피로평가을 검증하기 위한 모델링의 일 예이다.
도 18은 Manson-Halfordtlr과 SWT식에 적용하여 피로해석을 수행한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 19는 Tso-Lianf Teng에서는 strain-based로 피로평가와 damage-based 평가 기법을 비교하기 위하여 프로그램피로평가 결과를 나타낸다.
본 발명은 손상역학 수법을 이용한 파괴문제 해석법에 관한 것이며, 구체적으로는, 유전적 알고리즘 기법을 이용하여 재료손상 모델에 필요한 각종 재료상수들을 결정하는 기법에 관한 것이다.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 모델링과 해석 및 해석 전/후 처리를 GUI 환경에서 간단하게 처리 가능한 방법 및 시스템을 제공하는 것이다.
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.
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.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
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.
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.
도 1은 본 발명에 따른 최적화 기법을 도식적으로 나타낸 블록도이다.
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.
도 1을 참조하면, 최적화 기법(100)은 손상 메커닉 접근 방법에 기초한 기계적 특성치를 이용하여 피로 특성치를 추정한다.
구체적으로, 먼저 알려진 기계적 물성값을 추론 엔진에 입력한다(단계 101). 그런 다음, 추론 엔진은 손상 계산(damage calculation)을 위한 재료 파라미터를 추론한다(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).
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.
도 2는 추론 엔진에서의 재료 상수 추론 단계를 나타낸 흐름도이다.
도 2를 참조하면, 도 1에서의 재료 상수 추론 단계(단계 103)는 다음과 같은 3 단계의 추론 단계를 통해 재료 상수를 추론한다.
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(단계 205).
먼저, 단계 201의 기억 기반 추론을 이용한 해석용 재료 정수 구하는 과정을 설명한다.
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.
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.
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.
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.
도 3은 미경험용 강재의 재료 정수를 결정하는 단계를 나타내는 흐름도이다.
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.
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.
다음으로, 단계 202의 실험식 정의 과정을 설명한다.
단계 202는 기데이터에서 실험적인 수치값을 기계적인 특성치와 해석용 재료정수의 상관관계를 이용하여 실험식을 정의하는 단계로, 먼저 재료 정수 상관 관계를 추론할 필요가 있다.
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.
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.
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.
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.
아래 수학식 1 및 2는 소성변형률 속도의 점소성 매개 변수와 재료의 손상 계수(S1, X)에 관한 상관 관계식이다.
Figure 112005056855367-PAT00001
Figure 112005056855367-PAT00002
도 8은 소성변형률 속도의 정의에서 점소성 매개변수(S; viscoplastic parameters)와 재료 손상 변수와의 관계를 수치적인 관계를 나타낸 그래프이다.
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.
Figure 112005056855367-PAT00003
Figure 112005056855367-PAT00004
표 1은 점소성 매개변수(viscoplastic parameters)와 손상 계수(damage parameters)의 관계를 나타낸다.
S1=exp(-1.152425223×ln(x)-9.508897066) S2=exp(-0.1980227915×ln(x)+0.1685469124)
Number of data points used = 45 Average ln(X) = -8.49781 Average ln(Y) = 0.284196 Residual sum of squares = 9.28923 Regression sum of squares = 47.8986 Coef of determination, R-squared = 0.837566 Residual mean square, sigma-hat-sq'd = 0.21602 Number of data points used = 37 Average ln(X) = -5.83534 Average ln(Y) = 1.32408 Residual sum of squares = 1.76709 Regression sum of squares = 3.44932 Coef of determination, R-squared = 0.661244 Residual mean square, sigma-hat-sq'd = 0.0504882
Alternate Y = pow(X,-1.152425223) * 7.418882197E-005 Alternate Y = pow(X,-0.1980227915) * 1.18358375
도 9는 경험식과 실제의 미경험 강재를 비교한 그래프이다.
도 9를 참조하면, 미경험 강재의 기계적 물성치에서 손상 효과를 고려한 소성변형률속도에 기인한 매개변수는 실제의 상관관계식과 잘 일치하는 것을 볼 수 있다.
한편, 재료 손상 모델의 기초 자료를 구성한 다음에는, 강재의 구조적 건전성을 평가하는 단계를 진행한다.
도 10은 구조적 건전성을 평가하는 과정을 나타낸 흐름도이다.
도 10을 참조하면, 구조적 건전성 평가 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.
단계 1001에서, 용접부 손상 및 강도 특성을 평가하기 위해서는, 용접 잔류 응력을 고려하여 용접부의 피로강도를 평가할 수 있는 모델이 요구된다.
도 11은 구조 초기의 결함에 의한 특성을 추정할 수 있는 잔류 응력 추정을 구하는 구조를 나타낸 블록도이다.
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.
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.
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.
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 최종적으로 건정성 평가를 할 수 있다.
도 12는 초기 결함이 정량적으로 계산된 후 최종적인 손상량을 계산하는 과정을 나타낸 흐름도이다.
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.
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.
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.
Figure 112005056855367-PAT00005
Figure 112005056855367-PAT00006
Figure 112005056855367-PAT00007
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.
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.
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.
Cycle and Fatigue Properties
σf (fatigue strength coefficient) 1014
εf (fatigue ductility coefficient) 0.271
b (fatigue strength exponent) -0.132
c (fatigue ductility exponent) -0.451
Kf (cyclic strength coefficient) 1097
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.
Figure 112005056855367-PAT00008
Figure 112005056855367-PAT00009
Figure 112005056855367-PAT00010
Figure 112005056855367-PAT00011
도 18은 Manson-Halfordtlr과 SWT식에 적용하여 피로해석을 수행한 결과를 나타낸 그래프이다.
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.
도 19는 Tso-Lianf Teng에서는 strain-based로 피로평가와 damage-based 평가 기법을 비교하기 위하여 프로그램피로평가 결과를 나타낸다.
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.
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.

Claims (8)

  1. 강재의 용접 이음부의 피로 강도를 평가하는 방법에 있어서,
    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 관계를 결정하는 단계; 및
    상기 추론 모델 및 데이터베이스를 이용한 최적화된 재료 손상 모델의 기초 자료를 구성하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 강재의 용접 이음부의 피로 강도 평가 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 손상 엔진을 위한 재료 상수를 추론하는 단계는,
    기존의 알려진 데이터를 이용하여 해석용 재료 정수를 구하는 단계;
    상기 기존의 알려진 데이터에서 실험적인 수치값을 기계적인 특성치와 해석용 재료정수의 상관관계를 이용하여 실험식을 정의하는 단계; 및
    기억기반의 해석용 재료정수와 상기 기존의 알려진 데이터에서의 실험식에 의해 수정된 해석용 재료 정수의 관계를 오차 최적화하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 강재의 용접 이음부의 피로 강도 평가 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 오차 최적화 단계는 유전적 알고리즘을 이용하여 오차를 최적화하고, 최적화된 해석용 재료 정수를 산출하는 것을 특징으로 하는 강재의 용접 이음부의 피로 강도 평가 방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 해석용 재료 정수를 구하는 단계는,
    경험용 강재 데이터베이스에서 경험용 강재의 재료 정수를 입력받는 단계;
    기억 기반의 강재 재료를 추정하는 단계; 및
    미경험용 강재의 재료 정수를 결정하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 강재의 용접 이음부의 피로 강도 평가 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 최종적인 손상 모델을 도출하는 단계는,
    임의의 구조 부재의 용접부 손상 및 강도 특성을 평가하는 단계; 및
    가상 공간에서의 시뮬레이션을 통한 재료 상수의 건전성을 평가하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 강재의 용접 이음부의 피로 강도 평가 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 구조 부재의 용접부 손상 및 강도 특성을 평가하는 단계는,
    상기 구조 부재의 용접부 특성치를 탄소성 모델 추정식, 이상화 분포 근사식, 용접 시공 조건 추정식, 용접 이음부 표면 추정식, 및 고유 응력 이용 추정식을 이용하여 잔류 응력 분포를 산출하고, 산출된 결과를 바탕으로 잔류 응력 분포 모듈을 확립하는 것을 특징으로 하는 강재의 용접 이음부의 피로 강도 평가 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 가상 공간에서의 시뮬레이션을 통한 재료 상수의 건전성을 평가하는 단계는, 용접 효과에 대한 구조적인 초기 결함을 정량적으로 계산하고, 재료적인 고유한 파단을 정의한 다음 구조적인 해석을 수행하여 최종적인 손상량을 계산하는 것을 특징으로 하는 강재의 용접 이음부의 피로 강도 평가 방법.
  8. 강재의 용접 이음부의 피로 강도를 평가하기 위한 알고리즘을 탑재한 GUI(Graphic User Interface) 환경에 적합한 컴퓨터 판독가능 매체에 있어서,
    상기 알고리즘은,
    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 관계를 결정하는 단계; 및
    상기 추론 모델 및 데이터베이스를 이용한 최적화된 재료 손상 모델의 기초 자료를 구성하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 판독가능 매체.
KR1020050094460A 2005-10-07 2005-10-07 용접 이음부의 피로강도 평가 방법 KR100706048B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020050094460A KR100706048B1 (ko) 2005-10-07 2005-10-07 용접 이음부의 피로강도 평가 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020050094460A KR100706048B1 (ko) 2005-10-07 2005-10-07 용접 이음부의 피로강도 평가 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20070039293A true KR20070039293A (ko) 2007-04-11
KR100706048B1 KR100706048B1 (ko) 2007-04-13

Family

ID=38160187

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020050094460A KR100706048B1 (ko) 2005-10-07 2005-10-07 용접 이음부의 피로강도 평가 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR100706048B1 (ko)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101954824B1 (ko) * 2018-07-31 2019-03-06 목포대학교산학협력단 비계용 연결브라켓 최종강도 시험장치 및 시험방법
CN111859601A (zh) * 2019-04-26 2020-10-30 天津大学 一种含有环向埋藏裂纹v型坡口焊缝海底冶金复合管gui插件自动建模方法
CN112033795A (zh) * 2020-09-22 2020-12-04 南京奇纳金属材料科技有限公司 一种带斜焊缝的双轴拉伸疲劳试验件优化设计方法
CN112241568A (zh) * 2020-09-24 2021-01-19 北京新能源汽车技术创新中心有限公司 一种基于有限元的发动机盖开闭耐久疲劳分析方法

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3151682B2 (ja) * 1992-03-13 2001-04-03 株式会社日立製作所 小口径配管疲労強度評価システム
JPH06317411A (ja) * 1993-05-06 1994-11-15 Hitachi Constr Mach Co Ltd 溶接継手の疲労強度判定方法
KR100254222B1 (ko) 1997-10-15 2000-05-01 정몽규 점용접부의 내구 수명 예측 방법
JP2001116664A (ja) 1999-10-20 2001-04-27 Nkk Corp 溶接構造物の疲労強度解析方法
JP3842621B2 (ja) 2001-11-08 2006-11-08 日立建機株式会社 疲労寿命評価システム
JP4071703B2 (ja) 2003-11-19 2008-04-02 株式会社東芝 はんだ接合部の熱疲労寿命診断方法とその装置

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101954824B1 (ko) * 2018-07-31 2019-03-06 목포대학교산학협력단 비계용 연결브라켓 최종강도 시험장치 및 시험방법
CN111859601A (zh) * 2019-04-26 2020-10-30 天津大学 一种含有环向埋藏裂纹v型坡口焊缝海底冶金复合管gui插件自动建模方法
CN111859601B (zh) * 2019-04-26 2024-03-19 天津大学 一种含有环向埋藏裂纹v型坡口焊缝海底冶金复合管gui插件自动建模方法
CN112033795A (zh) * 2020-09-22 2020-12-04 南京奇纳金属材料科技有限公司 一种带斜焊缝的双轴拉伸疲劳试验件优化设计方法
CN112033795B (zh) * 2020-09-22 2023-11-10 南京奇纳金属材料科技有限公司 一种带斜焊缝的双轴拉伸疲劳试验件优化设计方法
CN112241568A (zh) * 2020-09-24 2021-01-19 北京新能源汽车技术创新中心有限公司 一种基于有限元的发动机盖开闭耐久疲劳分析方法

Also Published As

Publication number Publication date
KR100706048B1 (ko) 2007-04-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Ince et al. Deviatoric Neuber method for stress and strain analysis at notches under multiaxial loadings
Mishra et al. Reliability-based lifecycle management for corroding pipelines
Okasha et al. Computational platform for the integrated life-cycle management of highway bridges
Rajasankar et al. Structural integrity assessment of offshore tubular joints based on reliability analysis
Firat A computer simulation of four-point bending fatigue of a rear axle assembly
Riahi et al. Reliability analysis and inspection updating by stochastic response surface of fatigue cracks in mixed mode
Firat A numerical analysis of combined bending–torsion fatigue of SAE notched shaft
Kuncham et al. An online model-based fatigue life prediction approach using extended Kalman filter
KR100706048B1 (ko) 용접 이음부의 피로강도 평가 방법
Firat et al. Analytical durability modeling and evaluation—complementary techniques for physical testing of automotive components
Dong et al. Improved effective notch strain approach for fatigue reliability assessment of load-carrying fillet welded cruciform joints in low and high cycle fatigue
Derriso et al. A novel approach for implementing structural health monitoring systems for aerospace structures
Moravej et al. Computation-effective structural performance assessment using Gaussian process-based finite element model updating and reliability analysis
Nassiraei Probability distribution functions for the ultimate strength of X-joints with collar plates in compressive load at room and fire conditions
Ince et al. Approximation modeling framework for elastic-plastic stress-strain fields near cracks with a small finite crack tip radius
Heyes et al. The assessment and use of linear static FE stress analyses for durability calculations
Lu et al. Prediction method of bridge static deformation based on dynamic test
Eichner et al. Optimal vibration sensor placement for jacket support structures of offshore wind turbines based on value of information analysis
Correia et al. Fatigue Crack Propagation Rates Prediction Using Probabilistic Strain‐Based Models
Kamal et al. An integrated approach for fatigue life estimation based on continuum mechanics theory and genetic algorithm
Robak Using a variable value of the fictitious radius to estimate fatigue life of notched elements
Kainat et al. Implementation of API 1183 Recommended Practice for Reliability-Based Assessment of Dents in Liquid Pipelines
Liu et al. Probabilistic remaining creep life assessment for gas turbine components under varying operating conditions
Proppe et al. Probabilistic design of mechanical components
Susmikanti et al. Evaluation on Mechanical Fracture of PWR Pressure Vessel and Modeling Based on Neural Network

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment
FPAY Annual fee payment
LAPS Lapse due to unpaid annual fee