원주 용접된 압력 매설강관의 거동 분석

Juntai Jeon,Chinhyung Lee,Kyongho Chang 한국재난정보학회 2015 한국재난정보학회 논문집 Vol.11 No.1

본 연구에서는 토압 등의 외압이 원주 용접된 매설 강관의 잔류응력에 미치는 영향을 유한요소 해석을 통하여 명확히 하였다. 먼저 3차원 열탄소성 해석을 통하여 원주 용접된 강관의 잔류응력을 구하였으며, 이를 초기조건으로 설정하여 3차원 탄소성 해석을 수행함으로써 외압이 작용하는 경우 잔류응력 거동을 조사하였다. 해석결과 외압에 의해 원주 용접부에 발생하는 원주방향 압축응력 때문에 원주방향 잔류응력이 압축 측으로 상당히 많이 이동함을 알 수 있었고, 축방향 잔류응력은 작용하는 외압에 의해 거의 영향을 받지 않음을 알 수 있었다. This paper presents finite element (FE) analyses to clarify the effects of external pressure on the residual stresses in a girth-welded steel pipe. At first, FE simulation of the girth welding process is carried out to obtain the weld-induced residual stresses employing sequentially coupled three-dimensional (3-D) thermo-mechanical FE formulation. Then, 3-D elastic-plastic FE analyses incorporating the residual stresses and plastic strains obtained from the preceding FE simulation are performed to investigate the residual stress behavior in the girth-welded pipe under external pressure. The FE analysis results show that the hoop compressive stresses induced by the external pressure significantly alter the hoop residual stresses in the course of the mechanical loading.

전체해석과 국부해석 조합법을 이용한 국부결함이 있는 트러스교 응력이력해석

김효진(Hyo Jin Kim),박상일(Sang il Park),배기훈(Gi Hoon Bae),이상호(Sang Ho Lee) 한국방재안전학회 2010 한국방재안전학회 논문집 Vol.3 No.1

본 논문에서는 전체해석과 국부해석 조합방법을 이용하여 국부손상 또는 균열의 영향을 반영한트러스교의 전체지간에서의 응력거동을 예측하였다. 이를 위해서 전체 구조체는 프레임요소에 의한 해석을 수행하고 국부 상세부분은 쉘요소에 의한 해석을 수행하여 두 결과를 조합함으로써 교량의 연결부처럼 응력분포가 복잡한 부분에서 이동하중에 따른 응력이력을 손쉽게 산정하게 된다. 트러스 연결부의 실제 기하학적 형상 및 강성을 전체 프레임해석에 고려하기 위해 국부 쉘모텔과 프레임모델의 변위 비교를 통해 프레임 모델의 단면수정계수를 산정하였으며, 실제 공용중인 트러스교의 실험값과 해석값을 비교하여 전체해석-국부해석 조합방법을 검증하였으며, 더 나아가 국부손상의 영향이 반영된 국부 쉘모델 해석결과를 전체해석에 반영시켰다. This study predicts the stress history for truss bridge with local damages by using global-local model combination method. For this end, the global structure is modeled by 3D frame elements and the selected local details are modeled by shell elements. Then superposition principle enable the global-local model to be combined interactively. Because the frame model cannot consider the rigidity of gusset plate and the interation of structural members due to the complexity of stress distribution in truss connection. The section modification factors are proposed to calibrate the stiffuess of global frame element. The globallocal model combination is verified by comparing the numerical results with experimental data obtained from the proof loading test to the operating truss bridge. Furthermore, stress histrories of the truss bridge are generated in the consideration of the ri gi dity of truss connection with local damage by using the combination method.

막구조물의 형상탐색 및 최적재단도 해석기법에 관한 연구

서삼열 한국전산구조공학회 1999 한국전산구조공학회논문집 Vol.12 No.3

본 논문의 목적은 막구조물의 형상해석, 응력-변형 해석, 재단도 해석을 수행하는 것이고, 재료는 선형탄성, 응력은 평면응력의 상태로 가정한다. 케이블 및 막구조물은 외력에 대한 변형이 매우 큰 구조물이기 때문에 기하비선형을 고려한 비선형해석을 하여야 한다 해석은 일반적인 구조물과는 달리 다음의 3단계로 구성된다. 첫 번째 단계는 초기 평형형상을 결정하기 위한 형상해석이고, 두 번째 단계는 다양한 외력이 가해졌을 때 구조물의 거동을 파악하는 응력-변형 해석이다. 이렇게 하여 일단 만족된 형상이 얻어지면 형상해석에서 얻은 결과를 기초로 하여 시공적 관점의 재단도 해석이 수행된다. 본 논문에서는 서귀포 월드컵 축구 경기장 지붕 구조물의 예를 들어 형상해석, 응력-변형 해석, 재단도 해석을 수행하고, 카테노이드(Catenoid) 구조물을 이용하여 최적재단도에 관한 해석기법을 제시한다. The object of this study is form finding, stress-strain analysis and cutting pattern analysis of membrane structures under the following assumptions : (1) material is linearly elastic (2) stress state is plane stress. The cable and membrane structures undergo large deformation because of its highly flexibility, therefore, we must take account of its geometric nonlinearity. The analysis procedure is consisted of three steps considering geometric nonlinearity unlike any other structures. First step is the form finding analysis to determine the initial equilibrium shape. Second step is the stress-strain analysis to investigate the behaviors of structures under various external loads. Once a stationary shape has been fount a cutting pattern based on the form finding analysis may be generated for manufacturing procedure. In this paper, form finding, stress-strain analysis and cutting pattern analysis is carried out for applying to Seoguipo worldcup soccer stadium roof structures and optimal cutting pattern analysis technique is proposed.

무응력길이법을 이용한 사장교의 시공단계 해석

박세웅,정명락,민동주,김문영 대한토목학회 2016 대한토목학회논문집 Vol.36 No.6

The propose of this study is to demonstrate how efficiently and accurately the construction stages of cable-stayed bridges are analyzed using the unstrained length method (ULM) in which all unstrained element lengths are determined from a simplified analytical method (Jung et al., 2015). A forward analysis of cable-stayed bridges using the commercial FEA program, MIDAS is sequentially carried out considering the lack of fit force but the ULM is able to analyze a intermediate construction stage directly by taking the corresponding unstrained lengths of the construction stage model simply. The closing load step analysis is achieved by loading the pavement and counter weight forces in reverse. An Incheon bridge model is analyzed using the present ULM and the commercial program, respectively, and the two analysis results are compared. 초기평형상태를 만족하는 간략해석법(Jung et al., 2015)의 무응력길이를 이용하여 사장교의 임의 시공단계를 직접적으로 모사할 수 있는 무응력길이 기반의 시공단계 해석법을 제시하고, 이 방법의 효용성과 정확성을 보이고자 한다. MIDAS해석 시 unknown load factor기능을 이용한 초기형상해석과 lack of fit force기능을 이용한 순방향해석을 실시하는데 반하여 ULM (unstrained length method)해석법은 무응력길이만 알고 있으면 중간단계를 거치지 않고 직접적으로 특정중간단계를 해석할 수 있다. 2차원 인천대교모델을 구축하고 ULM과 MIDAS를 각각 적용하여 시공단계해석을 수행하고, 수치예제를 통하여 두 해석결과를 분석한 결과, 완공계의 주탑, 주거더의 길이 차이로 인한 오차를 제외하면 비교적 서로 일치하는 결과를 보였다. 아울러, 포장무게와 카운터웨이트를 역으로 재하하여 폐합해석을 수행하고, 결과비교를 통하여 두 해석결과의 타당성을 보였다.

유효응력해석과 등가선형해석을 이용한 매립지반의 액상화 평가

박성식(Park Sung-Sik) 대한토목학회 2008 대한토목학회논문집 C Vol.28 No.2

본 연구에서는 흙의 미소변형에서 대변형까지 고려할 수 있는 유효응력해석을 이용하여 매립지반에 대한 액상화 및 진동으로 발생하는 침하량을 예측하였다. 유효응력모델은 진동 중에 발생하는 과잉간극수압을 계산하여 이에 따른 흙의 강성저하와 수반되는 지반의 변위를 모델링하였다. 진동으로 인한 지반의 변형률 수준이 작은 경우에 적합한 등가선형해석을 이용한 액상화 평가를 실시하여 유효응력모델을 이용한 예측법과 비교하였다. 등가선형해석에서 계산된 전단응력비에 해당하는 표준관입시험치를 국내에서 발생 가능한 지진규모와 실트질 함유량에 따라 콘관입저항치로 환산한 값과 현장에서 계측된 콘관입저항치를 서로 비교하여 액상화 가능성을 예측하였다. 두 곳의 인천지역 매립지에 대한 액상화 해석을 위하여 매립지에서 계측된 콘관입저항치와 전단파 속도를 이용하여 입력 물성값을 결정하였다. 인천 매립지에 대한 두 액상화 해석 방법의 결과는 액상화 발생 여부에서 유사하였으며 깊이에 따른 연속적인 액상화 판정과 얇은 층의 액상화 예측이 가능하여 액상화 예측의 정밀도를 높였다. 유효응력모델을 이용한 액상화 해석 결과는 지표면 아래 20m 이내에서 초기 유효수직응력의 40%~70% 정도의 과잉간극수압이 발생하였으며 이로 인하여 지표면에서 10㎝ 미만의 침하가 발생하였다. In this study an effective stress analysis was performed to evaluate liquefaction potential and ground settlement for reclaimed sites. The effective stress model can simulate the stiffness degradation due to excess pore pressure and resulting ground deformation. It is applicable to a wide range of strain. An equivalent linear analysis suitable for low strain levels was also carried out to compare the effective stress analysis. Shear stress ratio calculated from an equivalent linear analysis was used to determine SPT blow count to prevent liquefaction. Depending on the magnitude of potential earthquake and fine contents, the SPT blow count was converted into an equivalent cone tip resistance. It was compared with the measured cone tip resistance. The measured elastic shear wave velocity and cone tip resistance from two reclaimed sites in Incheon were used to perform liquefaction analyses. Two liquefaction evaluation methods showed similar liquefaction potential which was evaluated continuously. The predicted excess pore pressure ratio of upper 20 m was between 40% and 70%. The calculated post-shaking settlement caused by excess pore pressure dissipation was less than 10 ㎝.

사용지진을 고려한 고속철도 연속교 장대레일의 응력 해석

김용길,권기준,고현무 한국지진공학회 2002 한국지진공학회논문집 Vol.6 No.5

철도나 고속철도에서 사용되는 장대레일은 연결부 근처에서 상부구조물간의 변위불일치로 인하여 부가적인 응력이 발생되게 되는데, 이 현상은 단순교에서보다 연속교에서 더 현저하게 나타난다. 철도는 가속과 정지 시의 안전뿐만 아니라 지진상태에서도 탈선이 일어나지 않고 안전하게 정지할 수 있도록 철도구조물의 응력과 변위에서 안전을 보장할 수 있어야 한다. 철도의 안전도를 확보하기 위해 시-제동하중, 온도하중에 의한 레일의 응력에 대한 해석방법은 많은 연구가 이루어져 왔으나, 그 방법이 정적 비선형해석을 바탕으로 하고있어 동적 비선형해석을 필요로 하는 지진하중은 고려되지 못하였다. 그러나, 철도교량의 장대레일과 같이 비선형 거동을 보이는 시스템에서는 교량상판의 상대변위와 레일의 응력과는 선형적인 관계가 정립되지 못하므로, 지진시 열차의 안전한 정지를 확인 하기 위해서는 지진에 대한 영향이 제대로 반영되도록 정적하중인 제동하중과 동적하중인 지진하중을 동시에 재하하여 레일의 응력을 계산하는 동적해석 방법이 요구된다. 본 연구에서는 장대레일을 사용할 때 문제가 되는 레일의 응력을 해석하기 위해 대만고속철도 설계시방서 기준을 만족하는 재료비선형이 고려된 동적해석방법을 개발하였으며 그 방법을 현재 대만에서 연약부지 위에 건설중인 고속철도 연속교에 대한 해석에 적용하였다. Long-rails in railways and high-speed railway are subjected to additional stresses resulted from the displacements inconsistence between upper structures, and this phenomenon is more remarkable in continuous bridges than in simple bridges. For the sake of safety, railways have to guarantee trains to stop safely without derailment even in the event of earthquake. The influences of acceleration, braking, and temperature were analyzed by static nonlinear method. But earthquake loads that require dynamic nonlinear analysis are not considered in these methods. Because linear relation between relative displacements of decks and rail stresses is not guaranteed at the nonlinear systems such as long rails on the bridges, it is required compute to rail stresses considering both braking and earthquake load by nonlinear dynamic analysis method. In this study, dynamic analysis method with material non-linearity for rails on continuous bridges according to the Taiwan High Speed Railway(THSR) Design Specification volume 9 was developed. And additional stresses and displacements of long rails for acceleration, braking, and earthquake loads were analyzed by this method.

원자로 CRDM 관통노즐 J-Groove 용접부 잔류응력 예측을 위한 유한요소 변수 민감도 해석

배홍열(Hong Yeol Bae),김주희(Ju Hee Kim),김윤재(Yun Jae Kim),오창영(Chang Young Oh),김지수(Ji Soo Kim),이성호(Sung Ho Lee),이경수(Kyoung Soo Lee) 대한기계학회 2012 大韓機械學會論文集A Vol.36 No.10

최근 원자로 압력용기 상부헤드 관통노즐 J-groove 용접부 주변에서 균열로 인한 냉각수 누출사고가 발행하고 있다. 이러한 사고의 원인은 용접에 의한 인장잔류응력, 농축된 붕산수 및 응력부식에 민감한 재료로 인한 일차수응력부식균열(PWSCC : primary water stress corrosion cracking)인 것으로 판명되었다. PWSCC 평가는 원자로 건전성 평가의 주요 관심사로서 용접에 의해 발생되는 잔류응력을 정확하게 예측함으로써 가능하다. 본 연구에서는 유한요소해석을 이용하여 국내 원자로의 일반적인 J-groove 용접부의 해석절차를 소개하고, 용접해석 관련 변수의 민감도 해석을 통해 잔류응력 예측기법을 제시하고자 한다. 이를 위해 2차원 및 3차원 요한요소해석 방법을 바탕으로 변수 민감도 해석을 수행하였으며, 기존 연구결과와 비교를 통해 해석절차 및 방법의 유용성을 검정하였다. In nuclear power plants, the reactor pressure vessel (RPV) upper head control rod drive mechanism (CRDM) penetration nozzles are fabricated using J-groove weld geometry. Recently, the incidences of cracking in Alloy 600 CRDM nozzles and their associated welds have increased significantly. The cracking mechanism has been attributed to primary water stress corrosion cracking (PWSCC), and it has been shown to be driven by welding residual stresses and operational stresses in the weld region. The weld-induced residual stress is the main factor contributing to crack growth. Therefore, an exact estimation of the residual stress is important for ensuring reliable operation. This study presents the residual stress computation performed for an RPV CRDM penetration nozzle in Korea. Based on two and three dimensional finite element analyses, the effect of welding variables on the residual stress variation is estimated for sensitivity analysis.

클러치 스냅링부 파괴 예측을 위한 구조응력기법 연구

김주희(Ju Hee Kim),명만식(Man Sik Myeong),오창식(Chang Sik Oh),김윤재(Yun Jae Kim) 대한기계학회 2016 大韓機械學會論文集A Vol.40 No.2

복잡한 기계장치에 대한 내구신뢰성 평가는 단순한 응력해석을 통해 피로수명을 예측하는 것이 일반적인 방법이다. 하지만 기존 방법은 유한요소 해석 시 여러 가지 요인에 의해 일관된 응력해석 결과를 얻기 어려워 해석자에 따라 상이한 수명을 예측하는 단점을 지닌다. 하지만 구조응력을 기반으로 하는 내구신뢰성 평가 기법은 이러한 단점을 보완하여 보다 합리적인 결과를 제공해 준다. 구조응력기법은 유한요소 모델의 요소 수와 요소 형태에 무관하게 일관된 응력결과를 제공하기 때문에 신뢰성이 높은 내구도 평가 결과를 얻을 수 있다. 해석조건 및 환경에 독립적인 결과를 제공해 주는 구조응력은 최근 대형선박 설계 및 각종 기계장치의 피로수명 예측에 종종 활용되고 있어 보다 깊이 있고 체계적인 연구가 필요하다. 따라서, 본 연구에서는 (a) 유한요소모델의 형태에 상관없이 요소에 독립적인 구조응력 산출기법을 제시하고, (b) 이를 이용하여 자동차 클러치 스냅링부의 구조응력 산출하여 피로파괴를 예측하고자 한다. The endurance reliability assessment of a highly complex mechanism is generally predicted by the fatigue life based on simple stress analysis. This study discusses various fatigue life assessment techniques for an automobile clutch snap ring. Finite element analyses were conducted to determine the structural stress on the snap ring. Structural stress that is insensitive in regards to the mesh size and type definition is presented in this study. The structural stress definition is consistent with elementary structural mechanics theory and provides an effective measure of a stress state that pertains to fatigue behavior of welded joints in the form of both membrane and bending components. Numerical procedures for both solid models and shell or plate element models are presented to demonstrate the mesh-size insensitivity when extracting the structural stress parameters. Conventional finite element models can be used with the structural stress calculations as a post-processing procedure. The two major implications from this research were: (a) structural stresses pertaining to fatigue behavior can be consistently calculated in a mesh-insensitive manner regardless of the types of finite element models; and (b) by comparing with the clutch snap-ring fatigue test data, we should predict the fatigue fractures of an automobile clutch snap ring using this method.

반강접요소의 구조신뢰성에 관한 연구

전정배 ( Jeon Jeong Bae ),박진선 ( Park Jin Seon ),우재형 ( Woo Jae Hyeong ),윤성수 ( Yoon Seong Soo ) 한국농공학회 2014 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2014 No.-

본 연구는 유한요소법과 신뢰성기법을 이용하여 구조의 변위를 계산하고 파괴확률을 결정하는데 목적이 있다. 기존 구조 부재의 절점간 연결은 강성계수가 같다고 가정하여 해석하는 방법을 주로 사용하였다. 그러나 실제 접합부는 부재축을 따라 일정한 부재단면이 급작스럽게 변하거나 정역학적인 관점에서 집중하중이 작용하여 근처에 응력의 특이점이 발생하는 구역이 생성된다. 이러한 구역을 응력교란구역이라 한다. 응력교란구역은 단면상에 변형도와 응력도가 현저하게 비선형 분포로 나타나며 보이론이나 판이론의 주요 가정인 평면유지법칙을 위배한다. 또한 응력교란구역의 부재에 대한 탄성학적인 정해가 맞지 않는 구간이다. 따라서 구조의 절점에 해당하는 구역은 일정조건을 고려하여 해석되어야 한다. 기존의 구조해석에 있어서 하중과 재료의 특성은 확정값으로 정의되어 왔다. 그러나 하중과 재료의 특성은 확률적으로 변화하기 때문에 불확실성을 내포하고 있어 기존의 해석방법에서는 이러한 불확실성을 논리적으로 고려하지 못하고 있다. 신뢰성해석은 구조물의 불확실성이 포함된 해석에 용이하여 기존의 해석방법으로도 적용하기에 적합하다. 또한 유한요소법은 유한요소의 물성을 확률변수로 설정하여 해석을 가능하게 함으로 확률유한요소법으로 접근이 가능하다. 따라서 본 연구에서는 구조물의 절점을 반 절점 요소로 적용하고, 확률적으로 변화하는 하중과 재료의 특성요인을 반영하여 확률유한요소법을 이용한 해석 모델을 작성한다. 작성된 모델로 기둥과 보의 접합부를 기준으로 온실구조물을 해석하고 기존의 방법론과 해석 결과와 파괴확률을 비교하고자 한다.

부분 관통 구멍이 있는 인장판의 주응력 분포 차이 해석

박상현,김영철,김명수,백태현 사단법인 인문사회과학기술융합학회 2017 예술인문사회융합멀티미디어논문지 Vol.7 No.2

Stress concentrations around discontinuities, such as a hole in cross section of a structural member, have great importance because the most materials failure around the region may be occurred. Stress on the point applied by concentrated load reaches much larger value than the average stress in structural member. In this paper, stress analysis was performed for the plate with a partial through-hole to find the difference of the principal stress distribution. The difference between maximum principal stress and minimum principal stress in photoelasticity is equal to the value obtained by multiplying the isochromatic fringe order by the fringe constant of the material divided by the distance through which the light passes, that is, the thickness of the specimen. Since the difference of principal stress is proportional to the photoelastic fringe order, the distribution of the principal stress difference by the finite element analysis can be compared with the photoelasticity experimental result. ANSYS Workbench, that is the finite element software, is used to compute the differences of principal stresses at the specific points on the measured lines. The computation values obtained by ANSYS are compared with the experimental measurements by photoelasticity, and two results are comparable to each other. In addition, the stress concentration factor is obtained using the stress distribution analyzed from the variation of hole depth. Stress concentration factor is increasing, as the depth of hole increase. 기계구조물 부재의 단면에 구멍이나 또는 단면이 급격히 변화할 경우, 불연속 부분 주위에서 응력집중이 일어나며 파손이 발생하는 주요 원인이 된다. 그 이유는 부재에 작용하는 평균 응력보다 응력집중 부분에서 훨씬 큰 응력이 작용하기 때문이다. 본 논문에서는 시편의 부분 관통 구멍 주위에서 응력해석을 수행하여 구멍을 통과하는 선상의 주응력 차 값을 구하였다. 광탄성에서 최대주응력과 최소주응력의 차이는 등색프린지 차수와 재료의 프린지 상수를 곱한 값을 빛이 통과한 거리 즉, 시편의 두께로 나눈 값과 같다. 즉, 주응력의 차이는 광탄성 프린지 차수와 비례관계가 있으므로 유한요소 해석에 의한 주응력 차이의 분포를 광탄성 실험결과에 비교할 수 있다. 유한요소 범용 소프트웨어인 ANSYS Workbench를 이용하였으며 유한요소법으로 해석된 값을 광탄성 실험으로부터 측정된 값과 비교한 결과 유사한 결과를 얻었다. 이로서 유한요소해석 결과는 실험결과와의 비교를 통해 타당성이 입증될 수 있었다. 또한 구멍깊이 변화에 따라 나타나는 응력분포를 사용하여 응력집중계수를 구하였다. 구멍깊이가 증가할수록 응력집중계수는 증가함을 나타냈다.