고유변형도 기반 등가 변형도법을 적용한 마찰교반용접 알루미늄 합금의 용접 해석

강성욱,문형석,김재웅,장창두,장범선 대한조선학회 2011 대한조선학회 학술대회자료집 Vol.2011 No.11

최근 환경보호와 에너지절감에 대한 관심이 높아짐에 따라 선박, 항공기, 철도차량, 자동차 등 수송기기의 경량화를 위한 기술 개발이 활발히 진행되고 있으며 이를 위해 알루미늄, 마그네슘 등 경량합금 부재의 적용이 빠른 속도로 확대되고 있다. 선박은 잔류응력에 대한 유리함과 경량화등을 목적으로 알루미늄 합금을 선박에 적용하고 있다. 알루미늄 합금 구조체는 열영향부가 피로, 충격에 약하다. 이에 대한 대책이 요구되는 상황에서 기존 용접방식에 비해 입열 량이 적고 용접봉, 보호 가스 등이 필요 없는 친환경적인 마찰 교반 용접(Friction Stir Welding, FSW)이라는 비용융 고상접합공정이 1991년 영국 TWI에서 개발되었다. 일반적으로 마찰 교반 용접은 열영향부가 크지 않기 때문에 용접 변형 및 잔류응력이 작다. 본 논문에서는 마찰 교반 용접을 적용하는 알루미늄 합금에 대해 고유변형도 기반 등가 변형도법을 이용하여 용접 변형뿐만 아니라 용접 잔류응력을 해석 하려한다.

전선 용접 변형 해석을 통한 선미 블록 탑재 시 축계 변형 예측 연구

이재성,강봉국,이동주 대한용접·접합학회 2021 대한용접학회 특별강연 및 학술발표대회 개요집 Vol.2021 No.11

용접으로 제작되는 선체 제작 공정 특성 상 건조 단계에서 필연적으로 선체 변형이 수반되며, 특히 축계에 인접한 선미 블록 탑재시 발생하는 변형은 고 정밀도를 요구하는 추진 축계 정렬 공정에 직접적인 영향을 미치기 때문에 용접에 의한 변형 영향을 고려하여 축계 정렬 작업(Pre-Sighting) 착수 시점이 결정되어야 한다. 축계 작업은 선박의 건조 공기 지연을 유발할 수 있는 매우 중요한 공정으로 현재 조선소에서는 선종별 축계 작업 착수 시점을 선행화 하려는 노력이 진행중이나, 이에 대한 역학적 근거 및 데이터가 전무한 실정으로 축계 작업 착수 시점 최적화에 어려움을 겪고 있다. 이에 본 연구에서는 주요 선종별 선미 블록 탑재 시 발생하는 용접 변형을 유한요소해석을 통해 예측하고, 계측 결과와 비교를 통해 예측 기법의 타당성을 검증하였다. 유한요소해석을 위해 주요 선종별 선미 블록의 해석용 모델을 제작하였으며, 탑재 용접부 개선 형상, 용접 기법 등 실제 용접 조건을 모두 고려하여 고유변형도 기반의 간소화된 탄성 용접 해석(STEM)을 통해 선미 블록 탑재 용접시 발생하는 변형을 예측하였다. 이를 기반으로 블록 탑재 용접부의 축계 영향도 분석을 통해 축계 작업 착수 시점을 판단할 수 있는 기술적 근거를 마련하였다.

선체 3D-CAD 모델을 활용한 자동 용접 변형 해석

강봉국(Bong-Gook Kang),이동주(Dong-Ju Lee),천영조(Young-Jo Cheon) 대한용접·접합학회 2021 대한용접학회 특별강연 및 학술발표대회 개요집 Vol.2021 No.5

현재 대부분의 조선소에서 선체 용접 변형은 고유변형도 기반의 탄성해석을 통하여 예측되고 있다. 하지만 선체 용접 변형 해석을 수행하기 위해서 해석 수행의 80% 이상에 해당되는 시간을 모델링과 같은 전처리 작업에 소요되고 있는 실정이다. 이를 해결하기 위해 본 연구에서는 선체 기본 설계 단계에서부터 존재하는 3D-CAD 모델을 활용하여 선박 건조 시 발생하는 변형을 예측할 수 있는 시뮬레이터를 개발하였다. 본 용접 변형 예측 시뮬레이터는 3D-CAD 모델의 활용으로 모델링에 소요되는 시간이 거의 요구되지 않는다. 그리고 자동으로 열영향부와 모재를 구분하여 유한 요소를 형성해주는 Mesh 모듈과 고유변형도 기반의 가상의 열팽창계수 및 온도를 자동으로 계산하는 모듈을 탑재하여 전처리에 소요되는 시간을 대폭 단축하였다. 이로 인해 사용자가 결과 분석에 더 많은 시간을 투여할 수 있고 동시에 신속하게 용접 변형을 예측할 수 있게 됨에 따라 생산성 및 품질 향상에 많은 기여를 할 것으로 기대된다.

모드변형에너지를 기저로 하는 위상최적화기법을 사용한 보의 고유진동수 최대화

이상진,배정은,Lee, Sang-Jin,Bae, Jung-Eun 한국공간구조학회 2007 한국공간구조학회지 Vol.7 No.4

The fundamental frequency maximization of beam structures is carried out by using strain energy based topology optimization technique. It mainly uses the modal strain energy distributions induced by the mode shapes of the structures. The modal strain energy to be minimized is employed as the objective function and the initial volume of structures is adopted as the constraint function. The resizing algorithm devised from the optimality criteria method is used to update the hole size of the cell existing in each finite element. The beams with three different boundary conditions are used to investigate the optimum topologies against natural mode shapes. From numerical test, it is found to be that the optimum topologies of the beams produced by the adopted technique have hugh increases in some values of natural frequencies and especially the technique is very effective to maximize the fundamental frequency of the structures. 위상최적화기법을 이용하여 보의 기본고유진동수 최대화문제를 수행하였다. 도입된 위상최적화기법은 구조물의 모드형상에 의해서 발생되는 모드변형에너지를 바탕으로 한다. 최소화하고자하는 모드변형에너지를 목적함수로 하고 구조물의 초기부피를 제약함수로 채택하였다. 최적정기준법을 바탕으로 한 크기조절알고리듬을 유한요소내부에 존재하는 셀의 빈공간의 크기를 조절하기 위해 도입하였다. 세 가지의 다른 경계조건을 가지는 보를 이용하여 자유진동모드형상에 저항하는 보의 최적위상을 조사하였다. 수치해석결과로부터 도입된 위상최적화기법을 이용하여 도출한 보의 최적위상은 초기구조물에 비해 저차의 자유진동수가 크게 증가하는 것으로 나타났으며 특히 모드변형에너지를 이용하는 위상최적화의 경우에는 구조물의 기본진동수를 최대화하는데 매우 효과적인 것으로 나타났다.

등가 열변형률법을 이용한 박판 및 파이프의 용접변형 예측에 관한 연구

김용래,양영수,이창훈,김재웅 대한기계학회 2021 大韓機械學會論文集A Vol.45 No.6

This study aims to compare and analyze longitudinal bending and angular distortion due to bead on plate welding by conducting experiments and numerical analyses. TIG-welding experiments were conducted on a steel plate and pipe with a thickness of 2 mm. The numerical analysis was conducted by an FE software MSC.marc. Further, the results of numerical analyses obtained via the thermo-elastic-plastic method and equivalent thermal strain method were compared with the experimental ones. Based on the comparisons, we investigated an efficient analysis method for welding deformation. 본 논문의 목적은 용접 시 발생되는 종굽힘과 각변형에 대하여 실험과 두 가지 수치해석 방법을 통해 비교 및 분석하는 것이다. 실험은 2 mm 두께의 평판재와 파이프에 대해 TIG 용접을 실시하였으며, 수치해석은 MSC. marc 상용프로그램을 통해 열탄소성 해석법(TEP)과 등가 열변형률 해석법(ETS)을 적용하여 실험 결과와 비교하였다. 이를 바탕으로 보다 효율적인 용접변형 해석 방안에 대하여 고찰하였다.

고속 운영시 탄성변형 감소를 위한 Active Gurney Flap 작동기 설계 변경

김태주,김도형,기영중,백승길 한국항공우주학회 2014 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2014 No.11

간단한 모드 시험을 통해 거니플랩의 플랩방향 , 1차 모드 주파수가 해석을 통해 예측한 값보다 낮아 고속 운영 시 거니플랩에 탄성변형이 발생함을 확인하고 그 원인이 힌지 경계조건임을 확인하였다. 이에 따라 설계 요구조건인 최대 35Hz의 운영 속도에서 탄성변형이 최소화 되도록, AGF 작동기의 고유진동수 증가를 위한 설계 변경을 수행하였다. 회전 베어링을 황동 부싱으로 교체하여 힌지 영역의 유격을 최소화 하였으며, 거니플랩 형상 변경을 통해 고유진동수를 증가시켰다. 형상 변경된 거니플랩을 적용한 AGF 작동기의 형상 요구도 만족을 위해 거니플랩 외의 다른 구성품의 사이징을 수정하였다. 설계 변경된 AGF 작동기에 대해서는 시험 및 해석을 통해 고유진동수의 증가 여부를 확인하였다. The first flap-wise modal frequency of Gurney Flap was lower than the prediction and elastic deformation was resulted at high speed operation condition and hinge boundary condition was identified as its cause through the simple modal test. Design modification for increasing natural frequency was conducted for minimizing the elastic deformation at maximum 35Hz operating condition which is the design requirement condition. Brass bushing was applied instead of rotating bearing to minimize free play and a gurney flap design modification was conducted to increase of the natural frequency. And sizing control of other components were conducted to satisfy the configuration requirement of the active gurney flap actuator. Test and analysis were performed to verify modal frequency increases of modified Active Gurney Flap Actuator design.

강부재의 손상발견을 위한 모달실험 기법

장정환,이정휘,김성곤,장승필,Jang, Jeong Hwan,Lee, Jung Whee,Kim, Sung Kon,Chang, Sung Pil 한국강구조학회 1997 韓國鋼構造學會 論文集 Vol.9 No.4

모달실험 기법의 강부재 손상발견 적용성에 대한 실험적 연구를 수행하였다. 단경간 및 2경간 강재보에 손상을 모사한 단계적인 절단을 가하면서 모달실험을 반복하고, 손상 정도에 따른 모달 파라미터의 변화를 관찰하였으며, 실험 결과를 검증할 목적으로 수치해석을 병행하였다. 고려한 모달 파라미터는 고유진동수(Frequency), 변위 모드형상(Displacement Mode Shape), 변형률 모드형상(Strain Mode Shape)이며, 이들 모달 파라미터를 구하기 위하여 가속도계와 변형률계를 사용한 모달실험을 실시하였다. 각각의 손상단계에서 손상에 의한 변위 모드형상과 변형률 모드형상의 변화를 위치에 대해 정량적으로 나타내기 위하여, CoMAC과 Modal Vector Error를 사용하였다. 고유진동수는 손상의 정도가 심해짐에 따라 감소하는 경향을 보였으며, 손상의 위치를 발견하는 데에 가장 효과적으로 사용될 수 있는 것은 변형률 모드형상이었다. A series of experimental tests have been performed on a tube beam in which artificial damage is applied in order to address damage detectability using modal analysis. Modal parameters considered are frequency, displacement mode shape and strain mode shape CoMAC(Coordinate Modal Assurance Criterion) and Modal Vector Error have been adopted for presenting the change of displacement mode shape and strain mode shape. It is revealed strain mode shape is the most sensitive to damage.

역대칭 복합적층판의 단순화된 고차전단변형을 고려한 휨과 동적 특성

한성천,윤석호,장석윤,Han, Seong Cheon,Yoon, Seok Ho,Chang, Suk Yoon 한국강구조학회 1997 韓國鋼構造學會 論文集 Vol.9 No.4

본 연구에서는 4개의 변수로 구성된 단순화된 고차전단변형이론에 근거한 복합적층판의 휨과 진동결과를 해석하였으며 적층판의 배열형태는 중립축을 중심으로 역대칭으로 적층되어있고 변수를 1개 줄여 해석하여도 기존의 고차전단변형이론의 결과와 비교하여 정확도에 큰 차이가 없음을 알 수 있었다. 단순화된 고차전단변형이론에 의한 결과를 1차전단변형이론과 3차전단변형이론에 의한 해와 비교 분석하였으며 복합재료 설계자나 이론과 실험의 상관관계를 연구하는 연구자 혹은 프로그램의 정확도를 검증하려고 하는 수치해석자들을 위해 결과자료들을 도표화하였다. Bending and vibration results for a laminated plate base on a simplified higher-order plate theory with four variables are presented. Assuming a constant in-plane rotation tensor through the thickness in Reddy's higher-order shear deformation theory it is shown that a simpler higher-order theory can be obtained with the reduction of one variable without significant loss in the accuracy. This simple higher-order shear deformation theory is then used for predicting the natural frequencies and deflection of simply-supported laminated composite plates. The results obtained for antisymmetrical laminated composite plates compare favorably with third-order and first-order shear deformation theory. The information presented should be useful to composite-structure designers, to researchers seeking to obtain better correlation between theory and experiment and to numerical analysts in checking out their programs.

선상가열시 강의 상변태를 고려한 개선된 고유변형도 기반의 등가하중법

하윤석(Yun-Sok Ha),장창두(Chang-Doo Jang) 대한조선학회 2004 大韓造船學會 論文集 Vol.41 No.6

산란체법에 의한 다중 계단지형에서의 파랑변형 계산

서승남(Seo, Seung-Nam) 한국해안해양공학회 2008 한국해안해양공학회 논문집 Vol.20 No.5

단일 계단지형에 대한 반사파와 투과파의 해를 이용하여 다중 계단지형에서의 파랑변형을 계산할 수 있는 새로운 산란체법의 모형을 구성하였다. 산란체법의 근사해를 보다 정밀한 Kirby and Dalrymple(1983)이 제시한 EFEM의 해와 비교검증하였다. 진행파만의 근사에서는 산란체법과 EFEM의 해는 동일하다. 계산된 반사율과 투과율에 대한 위상의 경우 억류파를 포함한 산란체법의 해는 진행파만의 근사해보다 훨씬 우수하다. 억류파의 영향이 감소할수록 산란체법의 해는 EFEM의 해로 접근한다. Based on reflected and transmitted waves by a single step bottom, a new model of scatterer method is constructed which can be used to calculate wave transformation over a multi-step topography. The approximate results are tested by comparison with the more accurate results obtained from EFEM presented by Kirby and Dalrymple(1983). In the case of plane-wave approximation, solutions of the scatterer method and the EFEM are the same. Results obtained by the scatterer method with non-propagating modes are much better, in terms of phase for the calculated reflection and transmission coefficients, than those by plane-wave approximation. As the effect of non-propagating modes decreases, solutions of the scatterer method become closer to those of the EFEM.