피로 수명을 고려한 복합재 풍력터빈 블레이드의 구조설계 및 실물 정하중 시험에 관한 연구

공창덕,방조혁 朝鮮大學校 機械技術硏究所 2002 機械技術硏究 Vol.5 No.2

본 연구에서는 풍력발전 시스템에 관련된 IEC61400-1 국제규격과 GL 규격에 정의된 다양한 Load Case가 고려되었고, 이러한 하중들을 효과적으로 견딜 수 있는 특별한 복합재 구조형상이 제안되었다. 복합재 풍력터빈 블레이드 구조에 대한 평가를 위한 유한요소 구조해석이 수행되었다. 구조설계에서는 파라메트릭 연구를 통해 블레이드 구조형상을 결정하였고, 대부분의 주요 설계 파라미터가 결정되었다. FEM을 이용한 응력해석에서는 설계된 블레이드 구조는 어떠한 Load Case에 대해서도 안전하다는 것이 확인되었다. 뿐만아니라, 본 연구에 의해 새롭게 고안된 삽입볼트를 사용한 허브 연결부위의 설계하중과 피로하중에 대한 안정성이 검토되었다. 잘 알려진 S-N 선형 손상 방법, 하중 스펙트럼 및 Spera의 실험식에 의해 20년 이상의 피로수명이 예측되었다. 몇 개의 집중하중으로 모사된 공력하중에 대한 실물 정적구조시험이 수행되었다. 실험결과로부터 설계된 블레이드는 구조적으로 안전함을 확인하였다. 연구된 블레이드는 독일의 국제적 인증기관인 GL에 의해 성공적으로 인증되었다. In this study, the various load cases specified by the IEC61400-1 international specification and GL Regulations for the wind energy conversion system were considered, and a specific composite structure configuration which can effectively endure various loads was proposed. In order to evaluate the structure, the structural analysis for the composite wind turbine blade were performed using the finite element method(FEM). In the structural design, the acceptable blade structural configuration was determined through the parametric studies, and the most dominant design parameters were confirmed. In the stress analysis using the FEM, it was confirmed that the blade structure was safe and stable in any various load cases. Moreover the safety of the blade root joint with insert bolts, newly devised in this study, was checked against the design load and the fatigue. The fatigue life for operating more than 20 years was estimated by using the well-known S-N linear damage equation, the load spectrum and Speras empirical equations. The full-scale static structural test was performed with the simulated aerodynamic loads. From the experimental results, it was found that the designed blade had the structural integrity. Furthermore the measured results were well agreed with the analytical results such as deflections, strains, the mass and the radial center of gravity. The studied blade was successfully certified by and international certification institute, GL, of Germany.

C-130H 수송기 구조 피로수명 산출 기법 연구

백세일(Seil Baek),원상훈(Sanghoon Won) 대한기계학회 2021 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2021 No.5

군용 항공기들은 MIL-STD-1530 Aircraft Structural Integrity Program(ASIP) 요구도에 따라 기체 구조가 설계되고 제작됨으로써 비행안전을 보장하고 감항인증 기준을 충족도록 하고 있다. 또한 항공기 운영단계에서는 운용군이 주기적으로 피로수명을 평가할 수 있도록 모니터링 시스템을 제공토록 하고 있다. C-130 수송기는 설계 시 ASIP 요구도가 미반영되어 피로수명을 산출할 수 있는 시스템이 개발되지 않았다. 대신 운용도평가(OUE, Operating Usage Evaluation)를 통해 산출된 운용격렬도(SF, Severity Factor)를 기준으로 구조 피로수명을 산출한다. 이 방법은 운용도의 변화로 인한 피로수명 증가율 변화를 충분히 반영할 수 없으므로 타 기종의 피로수명 산출 방법에 비해 다소 정확도가 부족하다. 본 연구에서는 C-130H 수송기의 주요구조 부위 피로수명을 보다 정확히 산출할 수 있는 기법과 시스템을 개발하였다. 시스템 개발에 필요한 기본 비행운용 정보(고도, 속도 등) 획득을 위해 1대의 C-130H에 KAM-500 장비를 장착하고 주요구조 부위에 Strain Gauge를 부착하였다. 획득된 데이터를 기반으로 각 비행 조건별 피로손상률 값을 설정하여 실시간 운용도를 반영한 피로수명을 산출할 수 있도록 하였다. Generally the Military aircraft are designed and developed in accordance with the MIL-STD-1530 Aircraft Structural Integrity Program(ASIP) requirements to ensure safety of flight and meet airworthiness criteria. In addition, for the aircraft operation phase, a monitoring system is provided so that the users can periodically evaluate fatigue life. In the case of C-130H cargo aircraft does not incorporate ASIP requirements in its design, so no system has been developed to assess fatigue life. Instead structural fatigue life is calculated based on SF(Severity Factor) extracted from Operating Usage Evaluation(OUE). This method can not take account the fatigue life accumulation rate caused by usage variation, and is less accurate than other aircraft model. In this work, the methodology and system was developed to predict fatigue life for C-130H primary structures. To obtain basic flight operational information(altitude, speed, etc.) for system development, one C-130H was equipped with KAM-500 and attached Strain Gauges on the primary structural area. This system allows to calculate fatigue life reflecting real-time operational usage through the fatigue damage rate for each flight conditions.

급구배 산악열차의 차체 구조 및 피로 안전성에 대한 연구

박정필(Jeongpil Park),구정서(Jeongseo Koo),김준우(Junwoo Kim),정의철(Euicheol Jeong) 한국철도학회 2015 한국철도학회 학술발표대회논문집 Vol.2015 No.10

국내 국토의 75%정도가 산악지형으로 구성되어 있고, 국내에 산악열차의 제작 및 운영에 대한 사례가 전무하여 산악열차와 같은 교통 인프라 구축 하는데 어려움이 있다. 본 연구에서는 산악열차의 차체를 국외 철도차량의 규정인 EN12663의 구조 및 피로 평가기준으로 구조 및 피로 수치해석을 수행 하였다. 수치해석 결과를 토대로 구조 및 피로 안전성 평가결과 안전율이 높아서 차체가 과설계 된 것으로 판단하여 치수 최적화 설계를 수행하였다. 그 결과, 치수 최적화 설계로 약 14%정도의 차체경량화 되었고, EN12663에서 제시한 구조 및 피로 강도 평가 기준도 만족하여서 차체의 구조 및 피로의 안전성을 검증하였다. Seventy-five percent of internal territory consists of mountainous area and it is difficult to construct transportation infrastructure for the gradient mountain railway because of there are no experiences of manufacturing and operating mountain railway. The study performed and evaluated numerical analysis about the frame of mountain railway carbody by applying the international standard EN12663 on structural strength and fatigue of rolling stock. The first design of the carbody is considered to be overdesigned because safety factor is high in the evaluation of structural strength and fatigue based on the numerical analysis results. Thus, the size optimization design was carried out. As the results, the weight of the carbody was reduced to about 14% through the optimization, and the results met structural strength and fatigue evaluation criterions. Accordingly, the structural strength and fatigue integrity of carbody were verified.

원격 CO₂ 레이저 용접이음에 대한 피로시험과 해석

주석재(Seok Jae Chu),조군(Jun Zhao) 대한기계학회 2012 大韓機械學會論文集A Vol.36 No.10

원격 CO₂ 레이저는 렌즈와 거울을 사용하여 신속하게 레이저 빔을 편향시키므로 복잡한 패턴을 그리기 쉽다. 기존 점용접 시편과 원격 CO₂ 레이저 여러 가지 용접선 패턴 시편을 준비하여 정적인장시험과 동적피로시험을 수행하였다. 피로수명(피로파단까지 하중반복횟수)에 대한 피로강도(최대피로하중) 데이터를 얻었다. 수명 이백만 회일 때 피로강도는 대체로 정적 인장강도의 10%이었다. 그리고, 피로하중 수준에 따라 피로파괴형태가 달라지는 것을 발견하였다. 구조해석 결과 응력이 높은 부위와 피로균열 발생부위가 일치하는 것으로 확인되었다. 수명 이백만 회일 때 모든 용접선 패턴에 대하여 최대응력이 서로 비슷하여지는 것을 확인하였다. A remote CO₂ laser system can rapidly change both the distance and the direction of the laser beam by moving a lens and rotating mirrors. It is then easy to weld complex patterns of weld lines. A conventional spot weld joint specimen and a remote CO₂ laser weld joint specimen with complex weld line patterns were prepared and tested both statically and dynamically. The relationships between the fatigue strength, i. e. the maximum cyclic force, and the fatigue life were obtained. The fatigue strength of the tested welded joints at two million cycles was found to be approximately 10% of the static strength. Furthermore, it was observed that the fatigue fracture mode changed with the level of the applied cyclic force. The fatigue crack origins were confirmed as the highest stress points found in the structural analysis. The maximum cyclic stress for different weld patterns converges as the fatigue life approaches two million cycles.

다양한 평가방법을 이용한 원형 노치 CT 시편의 피로수명평가

장동주(Dong-Joo Chang),강주연(Ju-Yeon Kang),허남수(Nam-Su Huh),김진원(Jin-Weon Kim),김종성(Jong-Sung Kim),김윤재(Yun-Jae Kim),김대수(Dae-Soo Kim),김형욱(Hyeong-Wook Kim) 대한기계학회 2018 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2018 No.12

In the present work, the fatigue life of a round-notched compact tension (CT) specimen has been evaluated using two different fatigue life evaluation methods. One is Design-By-Analysis (DBA) procedure given in ASME B&PV Code, Sec. III and the other is structural stress based approach provided in ASME B&PV Code, Sec. VIII. The fatigue crack initiation tests were conducted using a round-notched CT specimen, which is made of SA312 TP316 stainless steel, under displacement-controlled cyclic condition, and then experimental fatigue initiation life of that specimen was measured. To predict fatigue life of this CT specimen using DBA based approach, 3-D elastic FE analyses were carried out using experimental condition, and fatigue life was predicted based on both design and best-fit fatigue curve of same material suggested in ASME B&PV Code, Sec. II. Moreover, the fatigue life of CT specimen was also investigated using the structural stress based approach. Finally, the fatigue lives predicted either based on DBA procedure or structural stress based approach were compared with experimental results, and the accuracy of such engineering fatigue life evaluation methods was discussed.

피로손상의 누적에 따른 강성변화를 고려한 점용접부의 진동피로해석

강기원 한국융합학회 2014 한국융합학회논문지 Vol.5 No.1

본 논문의 목적은 진동 피로해석 기법을 적용하여 다수의 용접점을 포함하고 있는 점용접 구조물의 강성 변화를 고려하여 피로수명을 평가하는 것이다. 먼저 모재부 인장특성 및 점용접부의 인장 및 피로특성을 획득하였 다. 유한요소법을 적용하여 S-N 선도를 획득하여 피로해석에 적용하였다. 주파수 응답해석을 수행하여 구조물의 전달함수를 획득하였고, 주파수영역에서 0.11의 PSD를 선정하여 수행하였다. 강성변화 및 고유진동수의 변화를 알 아보기 위하여 점용접부의 총 6개 지점 중 최소수명이 발생하는 지점을 기준으로 1개씩 제거하여 반복 해석을 수행 하였다. 따라서 강성이 낮아질수록 고유주파수도 낮아지는 것을 확인하였다. 이러한 조건하에서 진동피로해석을 수 행하여 피로손상의 누적에 따른 전달합수의 변화를 고려한 진동피로해석을 수행하였다.

항공기 엔진 지지구조물의 피로수명 해석에 관한 연구

허장욱(Jang-Wook Hur) 대한기계학회 2010 大韓機械學會論文集A Vol.34 No.11

항공기 구조는 신뢰성 보장을 위해 피로하중에 대한 수명예측이 중요한 분야로 고려되고 있다. 본 논문에서는 항공기 비행안전과 가장 밀접한 엔진 지지구조물을 대상으로 S-N 곡선과 등가응력을 이용하여 선형누적손상 이론을 적용한 피로수명 해석을 수행하였다. 내추락 하중 조건에서 정적강도 해석의 최대응력은 가위형 링크부위에 1,080㎫를 나타내었으며, 이는 온도감소계수를 적용한 허용응력보다 약 5%의 여유를 가지고 있다. 피로하중 조건에서 최대응력은 가위형 링크 부위에 876㎫로 가장 높았으며, 이 때 응력방정식 계수도 0.019㎫/N으로 최대를 나타내었다. 피로수명 해석에 의한 안전수명은 가위형 링크 상단부에 있는 프레팅 영역이 416,667H이고, 다른 부위는 무한수명이 산출되어, 항공기 엔진 지지구조물(가위형 링크, 직선형 링크)은 피로수명 요구도를 충족하는 것으로 확인되었다. The fatigue life is estimated while determining the reliability of aircraft structures. In this study, the estimation of fatigue life was carried out on the basis of a cumulative damage theory; the working S-N curve and the equivalent stress on the engine support structure significantly affect the safety of the aircraft. The maximum stress observed was 1,080 ㎫ in the case of scissors link under crash load condition, and there was a 5% margin for the allowable stress corresponding to the temperature reduction factor. The maximum stress was 876 ㎫, and the stress equation coefficient had a maximum value of 0.019 ㎫/N in the case of scissors link under fatigue loads. In the results of the fatigue life analysis, the safety life in a fretting area of scissors link upper part was 416,667 flight hour, and other parts showed to infinite life. Therefore, it was demonstrated that the fatigue life requirement of aircraft engine support structure (scissors link, straight link) could be satisfied.

구조물의 피로파괴 예지를 위한 이중센서 개발

백동천(Dong-Cheon Baek),박종원(Jong-Won Park) 대한기계학회 2016 大韓機械學會論文集A Vol.40 No.8

실제 사용되는 기계 구조물의 수명 예측은 공정산포, 미래의 하중조건, 손상 모델의 불완전성 등으로 인하여 실험실에서 얻은 결과와 차이를 보일 수 밖에 없다. 본 연구에서는 이러한 불확실성이 내포된 기계 구조물의 피로파괴를 사전에 예지하기 위해 이중센서를 개발하고, 상온에서 단축 피로 하중을 받는 구조물에 적용하여 실증하였다. 이중 센서는 피로하중을 받는 대상 구조물보다 약간 더 큰 응력이 인가되도록 고안된 감지 구조물에 변형률 게이지를 부착한 형태이며, 균열이 센서자체에 먼저 발생함으로써 피로파괴를 예지하며, 쌍으로 제작된 감지부의 변형률 차를 이용하여 변동하중 하에서도 정상상태와 고장상태를 구분이 가능하다. Because of the inherent uncertainties caused by the manufacturing process variations, future loading conditions, and incomplete damage models, the lifetimes of mechanical structures under field conditions are significantly different from the results obtained in the laboratories. In this study, a dual sensor was developed to prognosticate the fatigue failure of structures under these uncertain conditions, and its effectiveness was demonstrated on a rectangular columnar structure under repeated uni-axial loading. The dual sensor is a slightly weaker structure embedded in the target structure, so that failure occurs in the sensor earlier than in the target structure. From the signal differences in the strain gauges in the embedded dual sensor, it is possible to differentiate between the normal status and warning status, even under variable loads.

원전 구조물 결함 탐지를 위한 음향방출 신호 처리 방안에 대한 기초 연구

김종현(Jong-hyun Kim),김재성(Jae-seong Kim),이정(Jung Lee),곽노권(No-gwon Kwag),이보영(Bo-young Lee) 한국비파괴검사학회 2009 한국비파괴검사학회지 Vol.29 No.5

열피로균열은 원자력발전소의 운영 과정에서 구조물의 수명을 결정짓는 문제로 정량적인 탐지가 어렵다. 현재 산업현장에서 구조물에 대한 건전성을 정량적으로 평가하기 위해서 radiographic탐상 및 초음파탐상, eddy current 등 다양한 종류의 비파괴검사 기술이 사용되고 있지만, 위에 열거한 비파괴탐상법의 경우 균열이 일정부분 진행된 이후에나 검출이 가능하다는 제한 사항이 있다. 이러한 이유로 구조물에 대한 연속적인 모니터링이 가능한 장점을 가진 음향방출탐상법(acoustic emission testing)이 대안적인 검사방법으로 제시되고 있다. 일반적으로 구조물이나 장비의 건전성에 영향을 미치는 모든 요인들이 음향방출 신호의 발생을 일으키기 때문에, 음향방출을 이용한 결함 탐상시 함께 발생하는 노이즈를 구분하는 일은 음향방출을 연구하는 대부분의 연구원의 주요 업무중 하나라고 할 수 있다. 이에 본 연구에서는 열피로 사이클 조건에서의 배관에 대한 음향방출 신호를 수집하여 유효한 균열 신호를 노이즈로부터 구분하고자 하는 목적으로 진행되었다. 그 방법으로 유사한 조건에서 실시한 결과를 이용하여 노이즈 필터링 조건을 설정하였으며, 균열의 신호를 찾아내기 위한 방법으로 음향파형(waveform) 구분법을 제시하였다. 이 실험에서 도출된 결과는 구조물의 결함을 탐지하는 실시간 연속적 모니터링 기술 개발에 대한 기초자료로 사용될 수 있을 것으로 기대된다. The thermal fatigue crack(TFC) is one of the life-limiting mechanisms at the nuclear power plant operating conditions. In order to evaluate the structural integrity, various non-destructive test methods such as radiographic test, ultrasonic test and eddy current are used in the industrial field. However, these methods have restrictions that defect detection is possible after the crack growth. For this reason, acoustic emission testing(AET) is becoming one of powerful inspection methods, because AET has an advantage that possible to monitor the structure continuously. Generally, every mechanism that affects the integrity of the structure or equipment is a source of acoustic emission signal. Therefore the noise filtering is one of the major works to the almost AET researchers. In this study, acoustic emission signal was collected from the pipes which were in the successive thermal fatigue cycles. The data were filtered based on the results from previous experiments. Through the data analysis, the signal characteristics to distinguish the effective signal from the noises for the TFC were proven as the waveform difference. The experiment results provide preliminary information for the acoustic emission technique to the continuous monitoring of the structure failure detection.

하중재하 패턴을 고려한 강바닥판의 정적거동 평가

김석태,허영 한국구조물진단유지관리공학회 2011 한국구조물진단유지관리공학회 논문집 Vol.15 No.2

강박스거더의 바닥틀은 바닥강판, 종방향 리브 및 횡방향 리브로 구성된다. 강바닥판 교량은 용접 접합부의 개소가 많고 중차량 접지하중과 반복응력의 증가에 의해 피로손상의 발생 가능성이 매우 높다. 일반적으로 강바닥판의 피로균열은 중차량 트럭하중의 반복적인 재하하중으로 인한 국부응력에 의하여 발생한다. 또한 중차량 통행량의 증가 및 통행차량의 대형화는 피로균열 발생 가능성을 촉진한다. 따라서 교량에 영향을 미치는 실제 통행 차량하중의 하중재하 패턴을 고려한 하중 접지면적에 따른 교량의 거동을 정확히 평가하는 것은 매우 중요하다. 본 연구는 강바닥판 교량에서 통행 차량의 접지면적과 하중재하 효과를 고려하여 설계하중에 의한 접지면적과 실제 통행 차량의 접지면적을 유한요소해석을 통하여 비교 평가하였다. 유한요소해석은 강바닥판 교량의 4가지 하중 재하패턴에 대하여 수행하였다, 또한 해석은 다이아프램의 설치 유무에 따른 통행트럭의 접지면적 영향을 비교·평가하였다. 유한요소해석 결과, 실제 싱글타이어의 하중재하면적이 설계하중의 접지면적보다 보다 큰 국부응력을 보였고, 바닥강판은 전륜하중인 싱글타이어 재하에 의해 가장 큰 영향을 받는 것으로 나타났다. 또한 다이아프램의 설치 유무는 탄성영역에서 다이아프램 설치가 강바닥판 가로리브와 세로리브 교차부의 피로저항에 대한 구조성능 개선에는 효과가 없는 것으로 나타났다. The deck of steel box girder bridges is composed of deck plate, longitudinal rib, and transverse ribs. The orthotropic steel decks have high possibility to fatigue damage due to numbers of welded connection part, the heavy contact loadings, and the increase of repeated loadings. Generally, the local stress by the repeated loadings of heavy vehicles causes the orthotropic steel deck bridge to fatigue cracks. The increase of traffic volume and heavy vehicle loadings are promoted the possibility of fatigue cracks. Thus, it is important to exactly evaluate the structural behavior of bridge considering the contact loading area of heavy vehicles and real load patterns of heavy trucks which have effects on the bridge. This study estimated the effect of contact area of design loads and real traffic vehicles through the finite element analysis considering the real loading conditions. The finite element analysis carried out 4 cases of loading patterns in the orthotropic steel deck bridge. Also, analysis estimated the influence of contact area of real truck loadings by the existence of diaphragm plate. The result of finite element analysis indicated that single tire loadings of real trucks occurred higher local stress than one of design loadings, and especially the deck plate got the most influence by the single tire loading. It was found that the diaphragm attachment at joint part of longitudinal ribs and transverse ribs had no effects on the improvement of structural performance against fatigue resistance in elastic analysis.