굽힘 하중하의 고장력강 용접 연결부의 피로 평가

이명우(Myeong-Woo Lee),김윤재(Yun-Jae Kim),박준협(Jun-Hyub Park) 대한기계학회 2014 大韓機械學會論文集A Vol.38 No.10

본 연구에서는 자동차 서스펜션 구조에 일반적으로 사용되는 용접부 형상에 대하여 굽힘 하중에 의한 피로수명을 예측할 수 있는 절차를 개발하였다. 이종 재료로 이루어진 실제 제품 용접 연결부의 피로수명 예측을 위해, 복잡한 형상의 제품을 단순화한 용접 시편을 설계하고 이에 대한 굽힘 피로 시험을 진행한 후 모멘트-피로수명(M-N) 선도를 제시하였다. 응력 집중에 의한 영향을 분석하기 위해 시편의 형상을 모델링 한 후 정적 하중에 대한 유한요소해석을 수행하여 균열 발생부의 응력을 구하고 응력-피로수명(S-N) 선도를 제시하였다. 유한요소해석을 통해 구한 응력과 이론 계산을 통해 구해준 응력을 이용하여 응력집중계수를 계산하였고, 응력집중부의 피로평가 방법 개선을 위해 보편적으로 사용되는 피로노치계수 평가법과 굽힘 피로 시험 결과를 비교 검토하였다. 그 결과, 이종 재질 용접 연결부의 정확한 피로 수명평가를 위해서는 기하형상을 고려한 피로노치계수 평가 분석뿐만 아니라 두 소재의 맞대기 용접 시편에 대한 피로 시험을 수행해 주어야 할 것으로 판단된다. In this study, a fatigue assessment method for vehicle suspension systems having welded geometries was established under a bending loading condition. For the fatigue life estimation of the actual product"s welded joints made of different steels, bending fatigue tests were performed on welded specimens with a simplified shape for obtaining the moment?fatigue-life plot. Further, geometry modeling of the simplified welded specimens was conducted. Results of finite element analysis were used to obtain the stress?fatigue-life plot. The analysis results were also used to calculate the stress concentration factors for notch-factor-based fatigue life estimation. The test results were compared with results of the general notch-factor-based fatigue life estimation for improving fatigue assessment. As a result, it was concluded that both the welded fatigue tests and the notch-factor-based fatigue life estimation are necessary for accurate fatigue assessment.

등가손상지수와 WIM 데이터를 이용한 잔존 피로수명 예측: 1. 간편한 피로수명 평가법 제안

최진웅(Choi, Jinwoong),박민석( Park, Min-Seok),김병화(Kim, Byeong Hwa) 한국방재학회 2017 한국방재학회논문집 Vol.17 No.1

국내 고속도로에는 약 8,700여 개소의 교량이 있으며, 그 중 약 20 %인 1,600여 개소가 강교량으로 공용중에 있다. 그러나 최근 교통량 증가 및 과적 및 대형 화물차량의 통행량 증가로 인하여 강교량의 피로수명에 대한 재평가가 필요한 실정이다. 따라서 본 논문에서는 기존의 피로손상 및 피로수명 평가 방법을 개선하고자 Eurocode의 등가손상지수를 활용한 피로손상 평가 방법 및 피로수명 평가 방법을 심도있게 고찰하고, 국내 고속도로에서 획득되는 데이터를 활용한 잔존 피로수명 평가 방법을 제안하였다. 제안된 피로수명 평가 방법은 기존의 누적손상기법과 비교하여 교량의 손상지수와 이론적 공용수명을 간단하고 쉽게 추정할 수 있을 것이라 판단된다. Among the 8,700 in-service bridges in national highway, the steel bridges cover the 1600 sites and make up approximately the 20 % of the total amounts. Due to recent rapid increase both in traffic volume and in frequency of overloaded vehicles, the need for re-evaluating the fatigue life of the steel bridges is increasing. To improve the existing fatigue life assessment procedures, this study reviews the fatigue life assessment methods using equivalent damage method in Eurocode and then proposes an easier and simpler fatigue life assessment procedure that could evaluate the remaining fatigue life of the steel bridges using traffic data collected from a HS-WIM installed in the national highway network. The proposed method is simple and easy to estimate the damage index and theoretical remaining fatigue life compared with the existing cumulative damage method.

비틀림 하중을 받는 고주파열처리 드라이브 차축의 피로수명 평가

김태영(Tae Young Kim),김태안(Tae An Kim),한승호(Seung Ho Han) 대한기계학회 2017 大韓機械學會論文集A Vol.41 No.6

자동차 부품 중 드라이브 샤프트는 엔진에서 발생하는 토크를 바퀴에 전달하는 동력 전달장치의 핵심 부품이다. 엔진에서 입력되는 비틀림 하중과 주행 중 발생하는 실동하중에 의한 부품의 파손을 방지하기 위해, 고주파 열처리로 강도 및 피로수명이 개선되고 있다. 본 연구에서는 고주파 열처리에 따른 드라이브 샤프트의 피로수명을 정량적으로 평가할 수 있는 피로수명 평가기법을 구축하였다. 드라이브 샤프트의 소재인 SAE10B38M2 강재로 모재 및 경화깊이가 서로 다른 고주파 열처리 시편 두 종을 제작하여 비틀림 하중 하에서의 전단 변형률 제어 피로시험을 진행하였고, 변형률-수명 피로수명 평가에 필요한 피로 물성값을 구하였다. 얻어진 피로 물성값을 이용하여 드라이브 샤프트의 변형률 기반 피로해석을 진행하였으며, 얻어진 피로수명 결과를 시제품 피로시험 결과와 비교하여 해석기법의 타당성을 검증하였다. The drive shaft of passenger vehicle has an important role in transmitting the torque between the power train system and the wheels. Torsional fatigue failures occur generally in the connection parts of the spline edge of the drive shaft, when there is significant fatigue damage under repeated twisting loads. A heat treatment, an induction hardening process, has been adopted to increase the torsional strength as well as the fatigue life of the drive shaft. However, it is still unclear how the extension of the induction hardening process in a used material relates to its shear-strain fatigue life range. In this study, a shear-strain controlled torsional-fatigue test with a specially designed specimen was conducted by an electro-dynamic torsional fatigue test machine. A finite element analysis of the drive shaft was carried out using the results obtained by the fatigue experiment. The estimated fatigue life was verified through a twisting load test of the real drive shaft in a test rig.

일정진폭의 반복적인 고압을 받는 챔버의 피로수명평가

김영일(Young Il Kim),김병운(Byung Woon Kim),고승기(Seung Kee Koh),정의초(Ui Cho Jeong) 대한기계학회 2018 大韓機械學會論文集A Vol.42 No.4

고압을 받는 챔버의 피로수명을 예측하기 위하여 저주기피로시험, 응력해석, 피로손상해석을 수행하였으며, 예측한 수명의 검증을 위하여 모사시험을 수행하였다. ASTM E606에 따라 저주기피로시험을 수행하여 저주기 피로특성치를 얻었다. 챔버의 응력을 구하기 위하여 평면변형률조건에서 502 MPa의 내압을 작용하여 해석을 수행하였다. 평균응력을 고려한 Morrow식과 SWT식을 이용하여 예측한 피로수명은 각각 1.37 × 10<SUP>6</SUP> 사이클과 2.91 × 10<SUP>5</SUP> 사이클이다. 예측한 수명을 검증하기 위하여 C형 모사시편을 사용한 모사시험을 수행하였으며, 1.37 × 10<SUP>5</SUP> 사이클을 얻었다. SWT식을 이용하여 예측한 피로수명은 모사시험으로 얻은 피로수명과 2배 차이를 나타내어 Morrow식으로 예측한 수명보다 상대적으로 높은 정확도를 나타내었다. Stress analysis and fatigue damage analysis of a chamber subjected to high pressure were performed to predict the fatigue life. Low-cycle fatigue characteristics were obtained by performing the test according to ASTM E606. The stress analysis of a chamber was done using the plane strain condition subjected to an internal pressure of 502 MPa. Two damage parameters of Morrow and SWT were employed to estimate the fatigue life of the chamber, resulting in 1.37 × 10<SUP>6</SUP> cycles and 2.91 × 10<SUP>5</SUP> cycles for crack initiation. The predicted fatigue life was verified by the simulation fatigue test using a C-shaped specimen, and a fatigue life of 1.37 × 10<SUP>5</SUP> cycles was obtained. The predicted fatigue life using the Smith-Watson-Topper(SWT) parameter agreed well with the simulation fatigue life within a factor of 2. The SWT parameter resulted in more accurate fatigue prediction than that by the Morrow parameter.

산화손상을 고려한 오스테나이트계 스테인리스강의 저주기 피로수명 연구

손홍세(Hong-Se Son),최완규(Wan-Kyu Choi),우성충(Sung-Choong Woo),김종천(Jong-Cheon Kim),이정석(Jeong-Seok Lee),박종천(Jong-Cheon Park),김태원(Tae-Won Kim) 대한기계학회 2021 大韓機械學會論文集A Vol.45 No.2

오스테나이트계 스테인리스강은 다양한 산업분야의 핵심 소재로서 특히 고온 환경에서 널리 사용된다. 본 논문은 니오븀이 함유된 오스테나이트계 스테인리스강의 산화손상 기반 피로수명 연구와 관련하여 온도에 따른 저주기 피로시험을 수행한 후 미시조직 관찰을 통해 산화손상 특징을 분석하였다. 아울러 피로, 크리프 또는 피로-크리프 상호작용과 산화손상을 함께 고려하여, Riedel 모델 및 Neu-Sehitoglu 산화손상수명 모델에 기반한 저주기 피로수명 통합 모델을 제안하였다. 200~800°C 온도 및 0.4%와 0.5%의 변형률진폭 조건으로 저주기 피로시험을 수행하였고, 시험 결과와 해석값과의 비교를 통해 통합 모델의 타당성을 검증하였다. 결과적으로 평균 오차 범위 2.8%와 6.7%로 각각 산화물 두께 및 깊이를 예측했으며, 실험 조건 모두 측정 온도에서 ±2 factor 정확도로 저주기 피로수명이 예측되었다. 앞선 결과를 통해 오스테나이트계 스테인리스강의 고온 및 주기적인 환경에서 피로파손 중 60~75%를 차지하는 피로, 크리프 또는 피로-크리프 상호작용뿐만 아니라, 산화에 의한 손상을 반영하여 저주기 피로수명을 예측하였다. Austenitic stainless steel is widely used in high-temperature environments as the core material in various industrial applications. This work analyzes the characteristics of oxidation damage via microscopic observations after low-cycle fatigue testing based on the temperature in relation to the fatigue life, which is based on the oxidation damage of austenitic stainless steel containing niobium. In addition, a unified low-cycle fatigue life model based on the Riedel model coupled with the Neu–Sehitoglu oxidation damage life model is proposed by considering the fatigue, creep, or fatigue-creep interactions as well as oxidation damage. Low-cycle fatigue tests were conducted for temperatures of 200~800°C as well as 0.4% and 0.5% strain amplitude conditions, and the validity of the proposed model was confirmed by comparing the experimental results with the analytical values. Thus, oxide thickness and depth could be predicted with average errors of 2.8% and 6.7%, respectively, and low-cycle fatigue life could be predicted with a ±2 factor of accuracy at the measured temperatures and strain amplitude conditions. From the results, low-cycle fatigue life could also be predicted for oxidation damage as well as fatigue, creep, or fatigue–creep interactions, which account for 60~75% of the total fatigue failure of austenitic stainless steel at high temperatures and with periodic loading.

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.

섬유 방향에 따른 복합재 피로특성에 관한 연구

강태영 ( Tae-young Kang ),안효성 ( Hyo-seong An ),전흥재 ( Heoung-jae Chun ),박종찬 ( Jong-chan Park ) 한국복합재료학회 2021 Composites research Vol.34 No.2

복합재료의 높은 비강도와 비강성으로 인해 복합재료는 다양한 산업분야에서 광범위하게 사용되고 있다. 특히, 탄소 섬유 강화 복합재는 많은 기계적인 구조물에 널리 사용된다. 또한 이방성 특성을 갖는 탄소 섬유 강화 복합재는 금속 재료와 달리 섬유 방향에 따라 피로 거동을 이해하는 것은 구조 설계에 있어서 매우 중요하다. 따라서 본 논문에서는 비낌 축(off-axis) 시편에 따라 복합재료의 피로 수명에 미치는 영향을 실험적으로 평가하였다. 이를 위해 복합재료의 비낌 축 시편(0°, 10°, 30°, 45°, 60°, 90°)에 대해 인장 및 피로 시험을 수행하였다. 피로 시험 결과, 복합재의 피로 강도는 섬유 방향이 0도로부터 조금 벗어날수록 피로 강도가 크게 감소하였으며 많이 벗어날수록 적게 감소하였다. 이는 적층 각이 커질수록 섬유의 하중을 지지하는 역할이 감소했기 때문이다. 또한 복합재의 피로 선도에 비낌 축 각도를 평준화하는 피로 강도 비율을 도입하여 피로 수명의 경향을 분석하였다. 피로 강도 비율(Ψ)-피로 수명 선도를 이용하여 적층 각도와 관계없이 피로 수명을 단일선으로 표현하였다. 피로 강도 비율을 통해 평준화된 피로 선도를 이용하면 2개 이상의 비낌 축 각도를 가지는 복합재의 피로 선도만으로도 임의의 다른 비낌 축 각을 가진 동일한 복합재의 피로 수명 곡선의 도출이 가능하다. Due to the high specific strength and stiffness of the composite materials, the composite materials have been extensively used in various industries. In particular, carbon fiber reinforced composites are widely used in many mechanical structures. In addition, since carbon fiber reinforced composites have anisotropic properties, to understand the fatigue behavior of composites with different fiber orientation is very important for the efficient structural design. Therefore, in this paper, the effect fiber orientation on the fatigue life of composite materials was experimentally evaluated. For this purpose, tensile and fatigue tests were performed on the off-axis specimens (0°, 10°, 30°, 45°, 60°, 90°) of the composite materials. As a result of the fatigue tests, the fatigue strength of the composites decreased significantly as the fatigue strength slightly deviated from 0 degrees. On the other hand, the more deviated, the less decreased. This is because the role of supporting the load of fibers decreased as the stacking angle increased. In addition, the fatigue behavior was analyzed by introducing a fatigue strength ratio (Ψ) that eliminates the fiber orientation dependence of the off-axis fatigue behaviors on the unidirectional composites. The off-axis fatigue S-N lines can be reduced to a single line regardless of the fiber orientation by using the fatigue strength ratio (Ψ). Using the fatigue Ψ-N line, it is possible to extract back to any off-axis fatigue S-N lines of the composites with different fiber orientations.

순수티타늄 용접재의 피로수명 예측에 관한 연구

최병기,국중민,장경천 朝鮮大學校 機械技術硏究所 2001 機械技術硏究 Vol.4 No.1

본 연구에서는 순수티타늄를 TIG용접하여 모재와 용접재의 피로시험을 수행하여 피로크랙 진전거동을 고찰하고, Nisitani가 제안한 역학적 변수에 의해 재료상수를 구한 후 그 적용성을 검토해 보았으며 얻어진 결과는 다음과 같다. 1. 동일한 하중비 조건에서 피로수명은 모재에 비해 Specimen-A, B, C는 각각 약 481%, 751%, 562% 크게 조사되었다. 2. 동일한 조건의 시험편에서 피로수명은 하중비 0.01에 비해 0.1과 0.2는 평균적으로 129%, 180% 크게 나타났다. 3. 모재 시험편를 제외한 용접재 시험편에서 피로크랙이 3mm 진전되는데 소모된 반복수는 전체피로수명의 약 90%를 차지하였으며, 이후에는 급속파단이 일어났다. 4. 본 재료에 실험으로부터 얻어진 재료상수를 이용하여 Nisitani의 피로크랙 전파속도 예측식에 적용하여 피로수명을 예측한 결과 노치의 위치 및 하중비에 관계없이 약 5% 내외의 낮은 오차를 보이며 잘 일치함을 알 수 있었다. In this study, the fatigue test was carried out with pure titanium and TIG welded material using in chemical plants and airplane frames etc.. The fatigue the propagation behavior and the fatigue life were investigated at 190% (400 kgf) of fatigue limit of base metal. Then, we compared and reviewed the result of experimented values and predicted values with the fatigue crack propagation equation reported by Nisitani in the present study. The summarized results are as follows; 1. The fatigue life of specimen B was showed to be about 751% longer than that of the base material at same load ratio. 2. The average fatigue lives at R=0.1 and 0.2 were respectably showed to be about 129% and 180% longer than that at R=0.01 at the same condition. 3. The fatigue life of the welded specimen was consumed about 90% of the whole fatigue life to grow 3mm fatigue crack length and then, the rupture was occurred rapidly. 4. The fatigue lives were predicted with the formula of the fatigue crack propagation, da/dN = C_2a^p_2, and compared with the experimented results, the results were shown good and in agreement within 5.0% error regardless of the notch position.

피로손상된 용접이음의 피로수명 향상을 위한 햄머피닝 처리법의 적용

김인태,박민호,정진환 한국구조물진단유지관리공학회 2013 한국구조물진단유지관리공학회 논문집 Vol.17 No.3

본 연구에서는 피로 손상된 용접이음의 피로수명 향상을 위한 방법으로 햄머피닝 처리법의 적용성을 검토하기 위하여 면외거셋 필렛 용접이음과 하중비전달형 리브 필렛 용접이음의 피로실험을 실시하였다. 본 실험에서는 면외거셋과 리브를 필렛 용접한 후 햄머피닝 처리를 하지 않은 용접그대로의 시험편, 용접후 햄머피닝 처리한 시험편, 그리고 용접그대로 시험편의 피로수명의 50% 시점에 햄머피닝 처리를 한 시험편의 피로실험을 실시하였다. 그리고 햄머피닝 처리에 의한 면외거셋과 리브 용접토우부의 형상 및 표면응력의 변화를 측정하였다. 그 결과, 햄머피닝처리에 의해 30~83MPa의 압축잔류응력이 도입 되었으며, 이로 인하여 강구조물의 제작시 용접후에 햄머피닝 처리를 실시하면 피로수명을 크게 향상 시킬 수 있을 뿐만 아니라, 이를 공용기간이 예상 피로수명의 50% 이하인 강구조물의 용접이음에 적용하여도 최소 1.3배 이상의 피로수명과 피로한계 향상효과를 기대할 수 있음을 제시하였다. In this study, fatigue tests were performed on longitudinal out-of-plane gusset fillet welded joints and transverse non-load-carrying cruciform rib fillet welded joints, and then applicability of hammer-peening treatment on improvement of fatigue life for fatigue damaged weld joints were investigated. Fatigue tests were carried out on three types of gusset and rib welded specimens: as-welded specimens, post-weld hammer peened specimens and hammer peened specimens at 50% of as-welded specimen's fatigue life. Before and after hammer peening treatment, the geometry of weld toes and surface stresses near weld toes were measured. As a result of hammer peening treatment, compressive residual stresses of 30-83MPa were introduced near weld toes of the gusset and rib welded joints, and 130% increase in fatigue life and fatigue limit of the welded joints could be realized by hammer peening treatment at 50% fatigue life of as-welded conditions.

저상버스용 하이브리드 복합재 조인트부의 통계적 피로수명평가

정달우(Dal-Woo Jung),최낙삼(Nak-Sam Choi) 대한기계학회 2010 大韓機械學會論文集A Vol.34 No.11

피로시험의 결과가 큰 편차를 보이는 하이브리드 복합재 조인트부에 대해서 통계적 피로수명 평가법을 이용하여 신뢰도 높은 피로수명을 추정하고자 한다. 저상버스 차체에 사용되는 하이브리드 복합재 조인트부를 절취하여 시험대상으로 하였으며, 이 조인트 시편으로 외팔보형 피로굽힘시험을 수행하였다. 피로시험 데이터를 정규분포, 대수정규분포, 와이블 분포를 이용하여 근접시킨 피로수명곡선들과 각각 비교함으로써 하이브리드 복합재 조인트부의 내구수명 추정에 가장 적합한 확률분포를 선정하였다. 선정된 와이블 확률분포를 이용해 확률-응력-수명(P-S-N) 곡선을 구함으로써 하이브리드 복합재 조인트부에 대한 통계적 수명예측 평가절차와 신뢰성설계의 기초자료를 제시하였다. The reliable fatigue life for hybrid composite joint structures was estimated by a statistical method for evaluating fatigue life; the results of the fatigue test varied widely. Cyclic bending tests were performed on a cantilever beam with a hybrid composite joint, which was developed for the body of a low-floor bus. In order to estimate the fatigue life of the hybrid composite joint structure by comparing the data obtained during the fatigue tests, the most suitable probabilistic density function among the normal, lognormal, and Weibull distributions was selected. The probabilistic-stress-life (P-S-N) curves calculated by using the selected Weibull distribution was suggested for process of statistical fatigue life estimation and reliability design.