KR20230017592A - 용접부 피로 수명 예측 방법 - Google Patents

용접부 피로 수명 예측 방법 Download PDF

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이동주
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신상범
김현수
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한국조선해양 주식회사
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Abstract

본 발명은, 응력 선형화 및 가상 초기 결함의 크기를 이용하여 용접 루트의 피로 수명을 예측할 수 있는 용접부 피로 수명 예측 방법이 제공되며, 본 발명의 일 실시예에 따른 용접부 피로 수명 예측 방법은 설계부가 강판이 용접되는 가상의 용접부를 설계하는 단계, 구조 해석부가 설계된 용접부의 물리적 정보에 따라 상기 용접부의 구조를 해석하는 단계, 가상 초기 결함 도출부가 설계된 용접부의 물리적 정보에 따라 사전에 설정된 피로 균열 진전 방식에 의한 피로 수명과 사전에 설정된 유효 노치 응력 방식에 의한 피로 수명간의 관계를 도출하고, 도출된 관계에 따라 설계된 용접부의 가상의 초기 결함의 크기를 도출하는 단계, 평가부가 상기 가상의 초기 결함의 크기와 상기 구조 해석부가 해석한 상기 용접부의 응력을 상기 피로 균열 진전 방식에 적용하여 설계된 용접부에 관한 피로 수명을 평가하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

용접부 피로 수명 예측 방법{METHOD FOR PREDICTING FATIGUE LIFE OF WELDS}
본 발명은 용접부 피로 수명 예측 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 용접부의 피로 파손의 경우 크게 용접 모재와 용접 표면이 만나는 부위인 용접 토우(weld toe)에서의 파손과 루트 표면(용접 표면 반대쪽에 노출된 용접부의 표면)이 모재와 만나는 부위인 용접 루트(weld root)에서의 파손 두 부분으로 나눌 수 있으며, 일반적인 용접 구조물에 대한 피로 수명 예측 방법은 용접 조인트(wjeld joint)의 형상에 따른 공칭 응력(Nominal stress)을 기준으로 분류가 되었으나, 이러한 공칭 응력을 이용한 접근 방법은 구조물의 실제 치수 영향을 고려하지 못하며, 용접부의 형상이 복잡한 경우 평가가 불가능하다는 단점이 있다. 이에 핫스팟 응력(Hot spot stress) 및 유효 노치 응력(Effective notch stress)를 이용한 피로 수명 예측 기법이 개발되었으며, 일반적으로 용접 토우에 대해서는 핫스팟 응력 방법이 적용되며, 용접 루트에 대해서는 유효 노치 응력 방법이 적용되고 있다.
그러나, 용접 루트에 적용되는 유효 노치 응력 방법의 경우, 용접 루트에 대한 미세한 요소 생성이 필요하며, 그에 따라 해석에 소요되는 시간도 비례하여 증가한다. 또한, 구조물이 복잡해 질수록 요소망(mesh) 생성이 어려워지기때문에 유효 노치 응력 방법을 적용하기 불가능한 구조물도 발생할 수 있는 문제점이 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2020-0033969호
본 발명의 일 실시예에 따르면, 응력 선형화 및 가상 초기 결함의 크기를 이용하여 용접 루트의 피로 수명을 예측할 수 있는 용접부 피로 수명 예측 방법이 제공된다.
상술한 본 발명의 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 용접부 피로 수명 예측 방법은 설계부가 강판이 용접되는 가상의 용접부를 설계하는 단계, 구조 해석부가 설계된 용접부의 물리적 정보에 따라 상기 용접부의 구조를 해석하는 단계, 가상 초기 결함 도출부가 설계된 용접부의 물리적 정보에 따라 사전에 설정된 피로 균열 진전 방식에 의한 피로 수명과 사전에 설정된 유효 노치 응력 방식에 의한 피로 수명간의 관계를 도출하고, 도출된 관계에 따라 설계된 용접부의 가상의 초기 결함의 크기를 도출하는 단계, 평가부가 상기 가상의 초기 결함의 크기와 상기 구조 해석부가 해석한 상기 용접부의 응력을 상기 피로 균열 진전 방식에 적용하여 설계된 용접부에 관한 피로 수명을 평가하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 유효 노치 응력 방법을 대체하여 보다 유연한 요소망을 이용하여 용접 루트에 대한 피로 수명을 예측할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 용접부 피로 수명 예측 방법이 수행되는 용접부 피로 수명 예측 장치의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 용접부 피로 수명 예측 방법의 개략적인 플로우챠트이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 용접부 피로 수명 예측 방법의 가상 초기 결함 도출 단계의 개략적인 동작을 나타내는 플로우챠트이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 용접부 피로 수명 예측 방법의 가상 초기 결함 도출 단계에서 도출된 가상 초기 결함 크기를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 용접부 피로 수명 예측 방법에 의해 예측된 용접부 피로 수명과 종래의 유효 노치 응력 방법에 의해 예측된 용접부 피로 수명이 일치하는 결과를 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 하나 이상의 실시예가 구현될 수 있는 예시적인 컴퓨팅 환경을 도시하는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 용접부 피로 수명 예측 방법이 수행되는 용접부 피로 수명 예측 장치의 개략적인 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 용접부 피로 수명 예측 방법의 개략적인 플로우챠트이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 설계부(110)는 강판이 용접되는 가상의 용접부를 설계할 수 있고(S10), 가상 초기 결함 도출부(120)는 설계된 용접부의 물리적 정보에 따라 사전에 설정된 피로 균열 진전 방식에 의한 피로 수명과 사전에 설정된 유효 노치 응력 방식에 의한 피로 수명간의 관계를 도출하고, 도출된 관계에 따라 설계된 용접부의 가상의 초기 결함의 크기를 도출할 수 있다(S20). 용접부의 물리적 정보에는 용접부의 형상 정보가 포함될 수 있으며, 용접부의 형상 정보에는 각장 형상, 크기 등의 정보가 포함될 수 있다.
구조 해석부(130)는 설계된 용접부의 물리적 정보에 따라 상기 용접부의 구조를 해석할 수 있다(S30). 용접부의 물리적 정보에는 용접부의 형상 정보, 균열 부위의 하중 및 구속 조건 등이 포함될 수 있다.
평가부(140)는 상기 가상의 초기 결함의 크기와 상기 구조 해석부가 해석한 상기 용접부의 응력을 상기 피로 균열 진전 방식에 적용하여 설계된 용접부에 관한 피로 수명을 평가할 수 있다. 예측된 피로 수명이 기준을 만족하면 단계를 종료하고, 기준을 만족하지 않으면 설계부(110)가 용접부를 재설계하고, 상술한 이후의 단계를 반복할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 용접부 피로 수명 예측 방법의 가상 초기 결함 도출 단계의 개략적인 동작을 나타내는 플로우챠트이다.
도 1 및 도 2와 함께, 도 3을 참조하면, 가상의 초기 결함을 도출하는 단계(S20)는 가상 초기 결함 도출부(120)가 사전에 설정된 용접부의 심플 모델 구조를 해석한 물리적 정보에 따라 상기 피로 균열 진전 방식에 의한 피로 수명과 상기 유효 노치 응력 방식에 의한 피로 수명간의 관계식을 도출하는 도출 방법 정립 단계(S21)와, 가상 초기 결함 도출부(120)가 실제 용접부의 구조를 해석한 물리적 정보에 따라 상기 피로 균열 진전 방식에 상기 관계식에 의한 가상의 초기 결함 크기를 적용한 피로 수명과 상기 유효 노치 응력 방식에 의한 피로 수명을 비교하는 도출 방법 검증 단계(S22)를 포함할 수 있다.
도출 방법 정립 단계(S21)는 가상 초기 결함 도출부(120)가 상기 사전에 설정된 용접부의 심플 모델 구조에 대하여, 유효 노치 응력 해석(S21b1, S21b2)과 선형화 해석(S21a1)을 수행하여 선형화된 응력 조건(S21a2)에서 유효 노치 응력 방식에 의해 예측된 피로 수명(S21b3)과 동일한 수명을 가지는 가상 초기 결함 크기(S21a3)를 도출할 수 있다. 상기 가상 초기 결함 크기 도출을 강판의 두께 및 하중 크기를 달리하여 여러 조건에서의 평가를 통해 유효 노치 응력 방식에 의해 예측된 피로 수명과 동일한 수명을 가지는 가상 초기 결함 관계식(S21c)을 도출할 수 있다. 여기서 패리스 법칙(paris' law)는 패리스-얼도건 수식(Paris-Erdogan equation)으로 상술한 피로 균열 진전 방식에서 사용되는 수식이다.
보다 상세하게는, 상기 피로 균열 진전 방식의 패리스 법칙은 하기의 수식1과 같을 수 있다.
(수식 1)
Figure pat00001
여기서, da/dN은 피로 균열 진전 비율(rate of growth of a fatigue crack)로 N회 부하 사이클(load cycle) 동안의 피로 균열 진전이고, C1은 상기 용접부의 재료 상수(material coefficients)이며, ΔK는 응력 강도 계수(stress intensity factor)이고, a는 균열 크기일 수 있다.
상술한 수식 1에 따라 피로 균열 진전 방식에 의한 수명은 다음의 수식 2와 같을 수 있다.
(수식 2)
Figure pat00002
여기서, NFCG는 피로 균열 진전 방식에 의한 수명(Life by Fatugue crack growth)이고, ΔPm은 막응력(membrane stress)이며, ΔPb은 굽힘 응력(bending stress)이고, Mm,Mb는 각각 응력 강도 확대 계수(stress intensity magnification factor)이며, a1은 상기 초기 결함 크기이고, L은 각장(leg length)일 수 있다.
한편, 상기 유효 노치 응력 방식에 의한 수명은 다음의 수식 3과 같을 수 있다.
(수식 3)
Figure pat00003
여기서, Nnotch는 노치 응력에 의한 수명(Life by notch stress)이고, C2는 상수이며, σnotch는 노치 응력일 수 있다.
상술한 수식 2의 상기 피로 균열 진전 방식에 의한 수명과 상기 유효 노치 응력 방식에 의한 수명이 동일하다고 가정하면, 하기의 수식 4와 같을 수 있다.
(수식 4)
Figure pat00004
상술한 수식 4를 상기 초기 결함 크기에 관하여 정리하면 하기의 수식 5와 같을 수 있다.
(수식 5)
Figure pat00005
즉, 상기 초기 결함 크기 ai는 용접 각장(L)과 노치 응력 (σnotch) 그리고 막응력(Pm)과 굽힘응력(Pb)에 대한 관계식을 가질 수 있으며, 노치 응력(σnotch)과 막응력(Pm), 굽힘응력(Pb)은 해석적으로 도출되는 값으로 최종적으로 초기 결함 크기 ai는 각장(L)에 대한 관계식으로 정리될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 용접부 피로 수명 예측 방법의 가상 초기 결함 도출 단계에서 도출된 가상 초기 결함 크기를 나타내는 그래프이다.
도 4를 참조하면, 강판의 두께에 따라 각장(Leg Length, L)은 가변될 수 있고 이에 따라 가상 초기 결함 크기(Virtual Initial Crack Size, ai)는 그래프에 도시된 값을 가질 수 있다.
다시 도 3을 참조하면, 도출 방법 검증 단계(S22)는 상술한 도출 방법 정립 단계(S21)를 통해 정립된 가상 초기 결함 관계식(S21c)을 이용하여 실제 모델에 대한 균열 진전 해석(S22a1, S22a2, S22a3)과 방법 검증을 위하여 기존 평가 방법인 유효 노치 응력 해석(S22b1, S22b2)을 수행하고 가상 초기 결함에 의한 피로 수명(S22a4)과 유효 노치 응력에 의한 피로 수명(S22b3)의 동일 여부를 비교하여, 정립한 가상 초기 결함 관계식을 검증할 수 있다.
보다 상세하게는, 도출 방법 검증 단계(S22)는 가상 초기 결함 도출부(120)가 실제 용접부의 구조의 응력을 해석하여 실제 용접부의 용접 루트의 응력을 선형화하고, 선형화된 응력과 상기 가상의 초기 결함의 크기에 기초하여 상기 피로 균열 진전 방식(FCGA)으로 예측한 피로 수명(S22a1, S22a2, S22a3, S22a4)이 상기 유효 노치 응력 방식에 의해 예측된 피로 수명(S22b1, S22b2, S22b3, S22b4)과 일치하는지 비교(S22c)할 수 있다. 일치하지 않으면 상기한 가상의 초기 결함 크기 관계식을 재검토할 수 있고(S22d), 일치하면, 상기한 가상의 초기 결함 크기 관계식의 검증을 완료하고(S22e), 이후 상기 유효 노치 응력 방식을 제외하고 상기 피로 균열 진전 방식만으로 용접부의 용접 루트의 피로 수명을 예측할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 용접부 피로 수명 예측 방법에 의해 예측된 용접부 피로 수명과 종래의 유효 노치 응력 방법에 의해 예측된 용접부 피로 수명이 일치하는 결과를 나타내는 그래프로, 상술한 바와 같이 상기 피로 균열 진전 방식으로 예측한 용접부의 용접 루트의 피로 수명이 상기 유효 노치 응력 방식과 동일함을 알 수 있다.
도 6은 본 발명의 하나 이상의 실시예가 구현될 수 있는 예시적인 컴퓨팅 환경을 도시하는 도면이다.
도 6을 참조하면, 상술한 하나 이상의 실시예를 구현하도록 구성된 컴퓨팅 디바이스(1100)를 포함하는 시스템(1000)의 예시를 도시한다. 예를 들어, 컴퓨팅 디바이스(1100)는 개인 컴퓨터, 서버 컴퓨터, 핸드헬드 또는 랩탑 디바이스, 모바일 디바이스(모바일폰, PDA, 미디어 플레이어 등), 멀티프로세서 시스템, 소비자 전자기기, 미니 컴퓨터, 메인프레임 컴퓨터, 임의의 전술된 시스템 또는 디바이스를 포함하는 분산 컴퓨팅 환경 등을 포함하지만, 이것으로 한정되는 것은 아니다.
컴퓨팅 디바이스(1100)는 적어도 하나의 프로세싱 유닛(1110) 및 메모리(1120)를 포함할 수 있다. 여기서, 프로세싱 유닛(1110)은 예를 들어 중앙처리장치(CPU), 그래픽처리장치(GPU), 마이크로프로세서, 주문형 반도체(Application Specific Integrated Circuit, ASIC), Field Programmable Gate Arrays(FPGA) 등을 포함할 수 있으며, 복수의 코어를 가질 수 있다. 메모리(1120)는 휘발성 메모리(예를 들어, RAM 등), 비휘발성 메모리(예를 들어, ROM, 플래시 메모리 등) 또는 이들의 조합일 수 있다.
또한, 컴퓨팅 디바이스(1100)는 추가적인 스토리지(1130)를 포함할 수 있다. 스토리지(1130)는 자기 스토리지, 광학 스토리지 등을 포함하지만 이것으로 한정되지 않는다. 스토리지(1130)에는 본 명세서에 개진된 하나 이상의 실시예를 구현하기 위한 컴퓨터 판독 가능한 명령이 저장될 수 있고, 운영 시스템, 애플리케이션 프로그램 등을 구현하기 위한 다른 컴퓨터 판독 가능한 명령도 저장될 수 있다. 스토리지(1130)에 저장된 컴퓨터 판독 가능한 명령은 프로세싱 유닛(1110)에 의해 실행되기 위해 메모리(1120)에 로딩될 수 있다.
또한, 컴퓨팅 디바이스(1100)는 입력 디바이스(들)(1140) 및 출력 디바이스(들)(1150)을 포함할 수 있다. 여기서, 입력 디바이스(들)(1140)은 예를 들어 키보드, 마우스, 펜, 음성 입력 디바이스, 터치 입력 디바이스, 적외선 카메라, 비디오 입력 디바이스 또는 임의의 다른 입력 디바이스 등을 포함할 수 있다. 또한, 출력 디바이스(들)(1150)은 예를 들어 하나 이상의 디스플레이, 스피커, 프린터 또는 임의의 다른 출력 디바이스 등을 포함할 수 있다. 또한, 컴퓨팅 디바이스(1100)는 다른 컴퓨팅 디바이스에 구비된 입력 디바이스 또는 출력 디바이스를 입력 디바이스(들)(1140) 또는 출력 디바이스(들)(1150)로서 사용할 수도 있다.
또한, 컴퓨팅 디바이스(1100)는 네트워크(1200)을 통하여 다른 디바이스(예를 들어, 컴퓨팅 디바이스(1300))와 통신할 수 있게 하는 통신접속(들)(1160)을 포함할 수 있다. 여기서, 통신 접속(들)(1160)은 모뎀, 네트워크 인터페이스 카드(NIC), 통합 네트워크 인터페이스, 무선 주파수 송신기/수신기, 적외선 포트, USB 접속 또는 컴퓨팅 디바이스(1100)를 다른 컴퓨팅 디바이스에 접속시키기 위한 다른 인터페이스를 포함할 수 있다. 또한, 통신 접속(들)(1160)은 유선 접속 또는 무선 접속을 포함할 수 있다.
상술한 컴퓨팅 디바이스(1100)의 각 구성요소는 버스 등의 다양한 상호접속(예를 들어, 주변 구성요소 상호접속(PCI), USB, 펌웨어(IEEE 1394), 광학적 버스 구조 등)에 의해 접속될 수도 있고, 네트워크에 의해 상호접속될 수도 있다.
본 명세서에서 사용되는 "설계부", "가상 초기 결함 도출부", "구조 해석부", "평가부" 등과 같은 구성과 상술한 바와 같이 상기한 구성에 의해 이루어진 각 단계들의 동작들은 일반적으로 하드웨어, 하드웨어와 소프트웨어의 조합, 소프트웨어, 또는 실행중인 소프트웨어인 컴퓨터 관련 엔티티에 의해 구성 또는 실행될 수 있다다. 예를 들어, 구성요소는 프로세서 상에서 실행중인 프로세스, 프로세서, 객체, 실행 가능물(executable), 실행 스레드, 프로그램 및/또는 컴퓨터일 수 있지만, 이것으로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 컨트롤러 상에서 구동중인 애플리케이션 및 컨트롤러 모두가 구성요소일 수 있다. 하나 이상의 구성요소는 프로세스 및/또는 실행의 스레드 내에 존재할 수 있으며, 구성요소는 하나의 컴퓨터 상에서 로컬화될 수 있고, 둘 이상의 컴퓨터 사이에서 분산될 수도 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고 후술하는 특허청구범위에 의해 한정되며, 본 발명의 구성은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 그 구성을 다양하게 변경 및 개조할 수 있다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 쉽게 알 수 있다.
100: 본 발명의 일 실시예에 따른 용접부 피로 수명 예측 방법이 수행되는 용접부 피로 수명 예측 장치
110: 설계부
120: 가상 초기 결함 도출부
130: 구조 해석부
140: 평가부

Claims (5)

  1. 설계부가 강판이 용접되는 가상의 용접부를 설계하는 단계;
    가상 초기 결함 도출부가 설계된 용접부의 물리적 정보에 따라 사전에 설정된 피로 균열 진전 방식에 의한 피로 수명과 사전에 설정된 유효 노치 응력 방식에 의한 피로 수명간의 관계를 도출하고, 도출된 관계에 따라 설계된 용접부의 가상의 초기 결함의 크기를 도출하는 단계;
    구조 해석부가 설계된 용접부의 물리적 정보에 따라 상기 용접부의 구조를 해석하는 단계; 및
    평가부가 상기 가상의 초기 결함의 크기와 상기 구조 해석부가 해석한 상기 용접부의 응력을 상기 피로 균열 진전 방식에 적용하여 설계된 용접부에 관한 피로 수명을 평가하는 단계
    를 포함하는 용접부 피로 수명 예측 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가상의 초기 결함을 도출하는 단계는 유효 노치 응력에 의한 피로 수명과 동일한 피로 수명을 갖는 가상의 초기 결함의 크기를 도출하는 용접부 피로 수명 예측 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 가상의 초기 결함을 도출하는 단계는
    사전에 설정된 용접부의 심플 모델 구조를 해석한 물리적 정보에 따라 상기 피로 균열 진전 방식에 의한 피로 수명과 상기 유효 노치 응력 방식에 의한 피로 수명간의 관계식을 도출하는 도출 방법 정립 단계; 및
    실제 용접부의 구조를 해석한 물리적 정보에 따라 상기 피로 균열 진전 방식에 상기 관계식에 의한 가상의 초기 결함 크기를 적용한 피로 수명과 상기 유효 노치 응력 방식에 의한 피로 수명을 비교하는 도출 방법 검증 단계를 포함하는 용접부 피로 수명 예측 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 도출 방법 정립 단계는 상기 사전에 설정된 용접부의 심플 모델 구조의 응력을 해석하여 응력 선형화하고, 선형화된 응력에 기초하여 상기 피로 균열 진전 방식으로 예측한 피로 수명과 상기 유효 노치 응력 방식에 의해 예측된 피로 수명이 동일한 관계를 갖는 상기 관계식을 도출하는 용접부 피로 수명 예측 방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 도출 방법 검증 단계는 실제 용접부의 구조의 응력을 해석하여 실제 용접부의 용접 루트의 응력을 선형화하고, 선형화된 응력과 상기 가상의 초기 결함의 크기에 기초하여 상기 피로 균열 진전 방식으로 예측한 피로 수명이 상기 유효 노치 응력 방식에 의해 예측된 피로 수명과 일치하는지 비교하는 용접부 피로 수명 예측 방법.
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