3차원 피로균열 진전해석을 통한 면외거셋 용접이음의 피로수명 평가

정영수,카이누마 시게노부,안진희,이원홍 한국구조물진단유지관리공학회 2018 한국구조물진단유지관리공학회 논문집 Vol.22 No.1

The estimation of the fatigue design life for large welded structures is usually performed using the liner cumulative damage method such as Palmgren-Miner rule or the equivalent damage method. When a fatigue crack is detected in a welded steel structure, the residual service life has to be estimated base on S-N curve method and liner elastic fracture mechanics. In this study, to examine the 3D fatigue crack behavior and estimate the fatigue life of out-of-plane gusset fillet welded joint, the fatigue tests were carried out on the model specimens. Investigations of three-dimensional fatigue crack propagation on gusset welded joint was used the finite element analysis of FEMAP with NX NASTRAN and FRANC3D. Fatigue crack growth analysis was carried out to demonstrate the effects of aspect ratio, initial crack length and stress ratio on out-of-plane gusset welded joints. In addition, the crack behaviors of fatigue tests were compared with those of the 3D crack propagation analysis in terms of changes in crack length and aspect ratio. From this analysis result, SIFs behaviors and crack propagation rate of gusset welded joint were shown to be similar fatigue test results and the fatigue life can also be predicted. 대형 용접 구조물에 대한 피로설계 수명의 예측은 일반적으로 Palmgren Miner과 등가손상도 방법 또는 선형누적손상도 방법을 사용한다. 또한 용접 구조물에서 피로 균열이 발생되면 잔존 수명은 S-N 곡선과 선형 파괴역학에 기초하여 예측되고 있다. 본 연구에서는 면외거셋 용접이음의 3차원 피로균열 진전거동과 피로수명을 예측하기 위하여 피로 시험을 실시하였다. 면외거셋 용접이음의 3차원 피로균열진전 해석은 NX NASTRAN 및 FRANC3D를 이용하여 유한요소 해석을 실시하였다. 면외거셋 용접이음의 균열 형상비, 초기균열 크기 및 응력비에 미치는 영향을 검토하기 위하여 피로균열진전 해석을 실시하였다. 또한 초기균열크기, 균열 형상비와 응력비의 변화에 따른 3차원 피로균열진전 해석 결과와 피로시험결과를 비교하였다. 피로균열진전 해석결과, 피로균열 진전속도와 응력확대계수와의 관계에서 피로시험과 유사하게 나타남을 확인하였으며, 면외거셋 용접이음의 피로수명을 추정할 수 있음을 확인하였다.

계면균열의 인성과 진전 거동

尹命辰,崔柄善 慶一大學校 2002 論文集 Vol.18 No.-

Interfacial crack problems between fiber and matrix in composite materials were discussed. A series of interfacial crack initiation and propagation experiments were conducted using the biaxial loading device for various mode-mixes. From the series of crack experiments, it could be seen that there was a large increase in toughness with shear components. The behavior of interfacial crack propagation is also analyzed as a function of mode-mix. The result shows that the initial crack propagation was delayed as an increase of absolute value of mode-mix. It could be seen that crack initiation velocity was increased with positive mode-mix and was decreased with negative mode-mix. However, it was found that crack propagation was less accelerated with positive mode-mix than the negative mode-mix. Possible causes of trend were thought be the different behavior of contact and/or effects of friction between far field and near-tip field along the interfacial crack.

응집 영역 모델을 이용한 굴곡 계면을 따르는 균열 진전 거동에 관한 연구

이현경,김현규 한국전산구조공학회 2018 한국전산구조공학회논문집 Vol.31 No.3

In this study, finite element analyses of crack propagation along a sinusoidal interface are performed by using cohesive elements. BK law is used for cohesive zone to consider mixed mode traction-separation relation at the crack tip on a sinusoidal interface of a double cantilever beam specimen. The shape of a sinusoidal interface crack and the cohesive strength and the cohesive energies in mixed mode cohesive laws are varied in numerical experiments, and load-displacement curves at the ends of a double cantilever beam specimen are obtained to investigate the crack propagation behavior along a sinusoidal interface. 본 연구에서는 굴곡 계면을 따른 균열 진전을 응집 요소를 사용하여 유한요소 해석을 수행하였고 균열 선단에서 복합 모드 하중을 고려하기 위하여 BK 법칙을 적용하였다. 정현파 굴곡 계면을 갖는 이중 외팔보에 하중을 부여하고 복합 모드 응집 법칙에서 응집 강도와 응집 에너지에 따른 하중-변위 선도의 변화를 알아 보았다. 응집 강도가 커지면 응집 영역 크기가 상대적으로 작아지고 균열 진전에 따른 하중-변위 선도에 굴곡이 나타나는 것을 보여 주었으며 인장과 전단 응집에너지 비율에 따라 하중의 증가와 하중-변위 선도에 굴곡이 나타나는 것을 보여 주었다. 또한 굴곡 계면의 형상에 따른 균열 진전 거동의 영향을 분석하였는데 균열의 형상비가 커지면 균열 진전을 위한 더 큰 균열 분리 에너지가 요구되는 것을 보여 주었다. 굴곡 계면의 형상과 응집 법칙을 변화시켜 파괴 인성을 크게 향상시킬 수 있으며 균열 진전 거동을 변화시킬 수 있게 된다.

접착영역 모델을 사용한 2상 리튬 이온 충전 시 실리콘 음극 전극의 균열진전 해석

김용우,한동석 한국전산구조공학회 2019 한국전산구조공학회논문집 Vol.32 No.5

In this research, crack propagation in a silicon anode during two-phase lithiation was evaluated using a cohesive zone model. The phase transition from crystalline silicon to lithiated silicon causes compressive yielding due to the high volume expansion rate. Li-ion diffuses from the surface of the silicon to its core, and the complex deformation mechanisms during lithiation cause tensile hoop stress along the surface. The Park-Paulino-Roesler (PPR) potential-based cohesive zone model that guarantees consistent energy dissipation in mixed-mode fracture was adopted to simulate edge crack propagation. It was confirmed that the edge crack propagation characteristics during lithiation from the FEM simulation results coincided with the real experimental results. Crack turning observed from real experiments could also be predicted by evaluating the angles of maximum tensile stress directions. 본 논문에서는 접착영역 모델을 이용하여 2상 리튬이온 충전 시 실리콘 음극 전극의 균열진전 해석을 수행하였다. 리튬화 실리콘은 결정질 실리콘에 비해 부피가 약 3배 이상 크므로 리튬이온 충전 시 외각의 리튬화 실리콘에 매우 큰 압축력이 작용하여 압축항복이 발생한다. 리튬이온 충전 시 외각의 리튬화 실리콘은 압축항복 후에 내부의 결정질 실리콘이 리튬화 실리콘으로 상 변이하면서 발생하는 부피 팽창으로 인해 인장력이 작용한다. 이러한 인장력으로 인해 발생하는 균열진전을 접착영역 모델을 이용하여 모사하였다. 사용한 접착영역 모델은 PPR 포텐셜 기반 접착영역 모델로 하나의 포텐셜을 사용하여 복합모드에 대해서도 에너지 소산에 일관성을 지니고 있다. 유한요소 수치해석 모델로 2상 리튬이온 충전 시 모서리 균열진전을 모사한 결과가 실제 실험결과와 일치함을 확인하였고, 균열 팁에서의 최대 인장응력의 각도를 분석하여 실제 실험처럼 균열진전 방향이 회전할 것을 예측할 수 있었다.

범용유한요소해석 프로그램의 확장유한요소법 성능 검증을 위한 2차원 모델 해석

이영환,김동환,박재균 한국전산구조공학회 2018 한국전산구조공학회논문집 Vol.31 No.4

범용유한요소프로그램인 Abaqus의 확장유한요소법(XFEM)의 사용성 검증을 위하여 2차원 모델에 적용하여 수치해석을 수행하였다. 기존의 연구에 많이 사용되었던 응집요소(cohesive element) 모델은 균열 경로를 예측하고 요소를 삽입하여야 하는 단점 때문에 실제 균열을 모사하는데 한계가 있다. 이러한 이유로 응력의 방향성 및 특이성을 바탕으로 균열의 경로를 예측하는 확장유한요소법(XFEM)이 균열 해석에 있어서 더 발전된 방법으로 이용되어 왔다. 이번 연구에서는 균열의 경로가 자명한 2차원 모델에 사용하여 응집요소해석과 XFEM에 응집요소의 물성을 적용한 해석을 비교하고 XFEM 적용의 타당성을 확인하였다. 수치해석으로 균열 발생 직전의 응력분포 및 응력 특이성을 확인하고 실제 균열 발생경로와의 비교를 한다. 본 연구를 바탕으로 몇 가지의 한계를 극복하면 실제 복잡한 모델의 실제 균열진전해석을 수행하여 균열을 모사할 수 있을 것으로 기대된다. In this study, numerical analysis is applied to a two - dimensional model for verifying the general finite element program, Abaqus' s extended finite element method(XFEM). The cohesive element model used in the existing research has a limitation in simulating the actual crack because of the disadvantage that the crack path should be predicted and the element should be inserted. For this reason, the extended finite element method(XFEM), which predicts the path of cracks based on the directionality and specificity of stress, is emerging as a new solution in crack analysis. The validity of the XFEM application was confirmed by comparing the cohesive element analysis with the XFEM analysis by applying the crack path to the self - evident two - dimensional model. Numerical analysis confirms stress distribution and stress specificity immediately before crack initiation and compares it with actual crack initiation path. Based on this study, it is expected that cracks can be simulated by performing actual crack propagation analysis of complex models.

해양구조물 TMCP강의 피로균열진전거동에 미치는 용접이방성 및 과대하중의 영향

최성대,이종형,三澤啓志 韓國工作機械學會 2000 한국생산제조학회지 Vol.9 No.6

The effect of the welding for the offshore structure in the TMCP steel on the fatigue crack propagation rate and crack opening-and-closure behavior was examined. The welding anisotropy of the TMCP steel and crack propagation character-istics of the excessive loading were reviewed (1) It seemed that a heat which was generated by the welding made a compressive residual stress over the base metal, so fatigue crack propagation rate was placed lower than in case of the base metal. (2) In the base metal, an effect of the anisotropy which has an effect on fatigue crack propagation rate of the excessive load and the constant amplitude load was not found but in the welding material case, fatigue crack propagation rate of the excessive load in the specimen of the width direction was located in the retard side as compared with a specimen rolling direction. (3) A crack opening ratio of the used TMCP steel in this study was not changed after excessive loading but a retard phe-nomenon of crack propagation was observed. Consequently, it was thought that all of the retard phenomenon of crack propagation did not only a cause of the crack opening-arid-closure phenomenon.

가상그리드기법을 통한 저품질 요소망에서의 응력확대계수 계산 및 균열진전경로 예측

최하번(Habeun Choi),박경수(Kyoungsoo Park) 대한기계학회 2021 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2021 No.4

유한요소법을 이용하여 구조물의 균열진전거동을 해석하거나 균열진전형상을 묘사하기 위해서는, 균열선단 주변에 결함요소망과 같은 세밀한 유한요소망을 이용한 모델링이 요구된다. 하지만 구조물의 형태 혹은 균열형상이 복잡한 경우, 고품질의 유한요소망을 생성하는데 많은 시간이 소요되며 모델링에 어려움이 있을 수 있다. 따라서 본 연구에서는 비교적 모델링이 간편한 자유요소망을 이용하여 유한요소해석을 수행함과 동시에, 구조물의 정확한 균열진전거동을 예측하고자 하였다. 균열선단에서의 정확한 응력장 및 응력확대계수 측정을 위하여 가상그리드기법을 사용하였으며 (Choi and Park, 2019), 계산된 결과를 최대변형률에너지 기법에 적용하여 균열선단에서의 정확한 균열진전경로를 예측하였다. 가상그리드기반 응력복원기법을 검증하기 위해, 낮은 품질의 유한요소망을 대상으로 임의의 변위장을 설정 후, 가상그리드를 이용하여 얻은 변형률장과 일반유한요소해석을 통하여 얻은 변형률장을 비교하였다. 이 때 가상그리드를 통해 계산한 변형률장의 상대오차가 일반유한요소법을 통해 얻은 오차보다 낮은 값을 보이는 것을 확인하였다. 두번째로, 단일노치인장 시험을 통하여 가상요소망 기반 응력확대계수 계산법의 정확도를 검증하였다. 해석결과는 가상요소망 기반 기법 사용 시, 낮은 품질의 요소망에서도 정해에 가까운 응력확대계수 값을 도출할 수 있는 것을 보여주었다. 마지막으로 단일홀을 포함하고 있는 단일 노치 시험에서의 균열경로예측을 수행하였으며, 해석을 통해 예측한 균열경로는 실험결과와 잘 일치하는 것을 확인하였다. To accurately predict crack propagation behavior of structures, high-quality meshes are required around a crack-tip region. However, the cost of modelling process using the high-quality meshes is expensive for the complex-shaped cracks or structures. In this study, one utilizes arbitrary unstructured meshes to predict an accurate crack path of the structures in conjunction with the virtual grid based stress recovery (VGSR). Based on a domain integral and stress recovery technique, a maximum strain energy release rate is evaluated to capture a precise crack path direction. To verify the accuracy and robustness of the VGSR, one evaluates the stress (or strain) fields using the VGSR and the standard evaluation procedure, and then those results are compared to each other. The computational results show that the proposed stress recovery technique provides a more accurate stress (or strain) field than a standard one. Furthermore, the VGSR is employed to evaluate stress intensity factor (SIF) for the single-edge notched test, and the computational results show that the evaluated SIF values using the VGSR are more accurate than the ones of the standard evaluation procedure for the low-quality meshes. Finally, one employs the proposed computational framework to predict a crack path for the single-edge notched specimen with one hole, and the computational result are in agreement with the experimental result.

항공기 터빈 디스크용 니켈기 초내열 분말야금 합금의 고온 피로균열진전 거동 비교 평가

윤동현(Dong Hyun Yoon),나성현(Seong Hyeon Na),김재훈(Jae Hoon Kim),김홍규(Hongkyu Kim),김동훈(Donghoon Kim) 대한기계학회 2017 大韓機械學會論文集A Vol.41 No.8

항공기 터빈 디스크에 사용될 수 있는 니켈기 초내열 분말야금 합금의 피로균열진전 거동이 실제운전 환경을 고려하여 상온 및 650℃에서 연구되었다. ASTM E647에서 제시하는 직류전위차법을 이용하여 실시간으로 균열의 진전을 측정하였다. 또한 피로균열진전 시험은 응력비 0.1과 0.5의 두가지 조건에서 수행되었다. 시험결과들은 응력비와 온도 조건 모두 피로균열진전 거동에 영향이 있음을 보여주었으며, 응력비와 온도가 증가함에 따라, 니켈기 초내열 분말 야금 합금의 피로균열성장 속도는 증가하게 관찰되었다. 본 연구에서 사용된 니켈기 초내열 분말 야금 합금은 현재 개발 중인 소재로써 보다 정량적인 시험결과의 분석을 위해, 본 연구의 피로균열진전 시험결과와 기존에 연구된 Inconel-100 소재의 피로균열진전거동에 대한 상호 비교분석이 수행되었다. 피로균열진전 파단면의 분석은 SEM 촬영을 통하여 수행하였다. The behavior of fatigue crack growth of nickel-based powder metallurgy superalloy that could be used in aircraft turbine disc is investigated at room temperature, and 650℃ considering real operating conditions. The direct current potential drop(DCPD) method was used to measure the crack length of material in real time according to ASTM E647. Tests were performed with various stress ratios (0.1 and 0.5). Experimental results show that stress ratio, and temperature all affect the behavior of fatigue crack growth. As the stress ratio and temperature increase, the fatigue crack growth rate of nickel-based powder metallurgy superalloy also increases. Results were compared and reviewed with fatigue crack growth rates of other nickel-based superalloy materials (Inconel-100) that were studied in previous papers. Fractography analysis of the fractured specimens was performed using as SEM.

항공기 주익 구조물의 응력스펙트럼 및 피로수명 추정에 관한 연구

강기원(Ki-Weon Kang),고승기(Seung-Ki Koh),최동수(Dong-Soo Choi),김태성(Tae-Sung Kim) 대한기계학회 2010 大韓機械學會論文集A Vol.34 No.9

장기운영된 항공기에는 비행시간의 누적에 따라 다양한 피로균열이 발생하며 이는 운영상 안전성 및 가동률을 저하시키는 요인이 된다. 이의 해결을 위하여 피로임계위치(Fatigue critical location, FCL)에 대한 균열 진전 해석은 매우 중요하다. 그러나 이러한 장기 운영된 항공기의 경우, 균열 진전 해석에 필수적인 FCL에서의 응력 스펙트럼 획득은 거의 불가능한 실정이다. 본 연구에서는 장기운영된 항공기 주익 구조물의 FCL에서의 균열 진전 해석을 수행하기 위하여, 먼저 주익 구조물에 대한 2차원 하드카피 형태의 도면으로부터 구축된 3차원 CAD 모델에 대한 유한요소해석을 수행하였다. 또한 이러한 유한요소해석 결과 및 제한된 하중배수 자료를 기반으로 FCL에서의 전달함수와 응력 스펙트럼을 산출하였다. 상기 자료를 바탕으로 상용 균열 진전 해석 코드인 NASGRO를 이용하여 FCL에서의 균열진전해석을 수행하였다. Aged aircraft have several cracks as a results of long-term service, and these cracks affect the safety and decrease the rate of operation of the aircraft. To solve these problems, crack propagation analysis should be perfomred to determine the service life at fatigue critical location(FCL). It is, however, almost impossible to obtain the stress spectrum, which is crucial for crack propagation analysis of the FCLs of wing structure of aged aircraft. In this study, to analyze the fatigue crack propagation behavior at the FCL of an aged aircraft, first finite element analysis is performed for a 3D geometry model of the aircraft wing structure, which is obtained using CATIA based on the paper drawings. Then, the transfer function and stress-spectrum of the FCL are derived using the load factor data and the FEA results. Finally, the crack propagation rates of the FCL are evaluated using the commercial software, NASGRO 6.0.

압력용기용 SA516/70 강의 고온피로균열 진전거동에 대한 연구

박경동(K. D. PARK),김정호(J. H. KIM),윤한기(H. K. YOON),박원조(W. J. PARK) 한국해양공학회 2001 韓國海洋工學會誌 Vol.15 No.2

The fatigue crack propagation behavior of the SA516/70 steel which is used for pressure vessels was examined experimentally at room temperature, 150℃, 250℃ and 370℃ with stress ratio of R=0.1 and 0.3. The fatigue crack propagation rate da/dN related with the stress intensity factor range △K was influenced by the stress ratio within the stable growth of fatigue crack(Region Ⅱ) with an increase in △K. The resistance to the fatigue crack growth at high temperature is higher in comparison with that at room temperature, and the resistance attributed to the extent of plasticity-induced by compressive residual stress according to the cyclic loads. Fractographic examinations reveal that the differences of the fatigue crack growth characteristics between room and high temperatures are mainly explained by the crack closure and oxide-induced by high temperature.