확률론적 통계기법을 이용한 가스 용접 이음재의 피로설계에 관한 연구 = A Study on the Fatigue Design of the Gas Welded Joint Using a Probabilistic Statistics Technique

국문 초록 (Abstract)

박판(thin plate)으로 제작되는 자동차, 철도차량 및 항공기 같은 구조물의 설계개념은 종래의 안전수명 설계(safe life design)개념에서 파손수명 설계(fail life design)개념으로 바뀌고 있기 때문에 장수명(long life)이 요구되는 이들 구조물은 적절한 구조적 강성(structural rigidity)을 지니도록 설계되어야한다. 그런데, 구조적 강성만을 고려하여 설계를 하게 되면, 충돌성능(impact efficiency)과 내구성능은 충족될 수 있으나, 충돌 시 변형률에너지(strain energy)의 흡수능력(absorption ability)이 부족하여 충돌에너지(impact energy)에 의한 탑승자(passenger)의 손상(damage)이 커지게 된다. 그러나 반대로 구조적 강성이 약해지면 이와 반대형상이 발생되기 때문에, 양자를 동시에 고려한 최적설계가 이루어져야 할 것은 물론이며 장시간 사용으로 인한 강성과 내구성 저하에 대한 보증도 고려되어야 한다. 이러한 문제점들은 고도로 발달된 자동차 및 항공기 생산기술에 힘입어 최적화(optimization)가 이루어지고 있다고 볼 수 있으나, 아직도 설계과정에서 가장 고려되고 중요시되는 사항중의 하나는 용접부의 정적⋅동적 내구성에 대한 신뢰성(reliability)이다. 왜냐하면, 박판 구조물의 중요한 제작수단이 되고 있는 가스용접에 의한 용접부의 비드 단(bead edge)부 형상이 모재와 불연속적이기 때문에 외력에 의한 응력집중원이 됨은 물론, 용접과정에서의 입열에 의한 야금학적 변화와 용접잔류응력의 발생 등의 모재와 전혀 다른 성질로 인해서 반복하중에 대한 피로강도가 모재의 그것에 비해 훨씬 떨어져서 피로손상의 발단이 되고 있기 때문이다. 그래서 종래에는 박판 구조물의 장수명 설계기준 설정을 위해 ⊿P-Nf 관계가 이용되어 왔지만, 이것은 이음재의 접합기술에 따른 접합조건과 기하하적 형상 및 역학적 조건 등에 의해서 다양한 분포형태를 나타낸다. 따라서 합리적이고 체계적인 설계기준을 설정하는 데는 많은 문제점이 있음이 지적되어 왔다.[6][10] 이와 같은 문제점을 개선하고, 이들의 제 형상 및 조건을 동시에 고려한 가스용접이음재의 장수명 설계기준을 설정하기위한 새로운 전문가적 피로강도 평가와 안전수명 평가기술이 요구되어 왔다.
따라서 본 연구에서는 우선 박판 구조물의 잔존수명을 정확하게 평가하기 위해 통계적 방법인 실험계획법을 적용하여 수명에 영향을 주는 인자들과 수준들을 선정하여 용접부에 대한 기계적 거동에 대한 연구와 수명에 영향을 미치는 파라메타들의 연관성을 분석하여 최적 설계인자를 도출하였다. 그리고 수명평가에 관여하는 대부분의 변수들은 일정한 값을 갖기보다는 넓은 범위에 걸쳐 분포하기 때문에 결정론적 방법으로는 현상을 정확하게 기술하기에 한계가 있다. 그래서 이러한 변수들의 분포특성을 고려하여 확률론적 통계해석 방법과 물리적 해석방법을 이용하여 가스용접 구조물의 합리적인 피로설계와 수명예측에 관하여 새로운 평가기술을 개발하고자 하였다. 그리고 비교적 경험이 적은 사용자나 비전문가도 쉽게 피로설계를 위한 수명예측을 할 수 있도록 확률론적 통계이론을 정리하여 사용자 중심의 피로설계기법을 개발 할 목적으로, 다음과 같은 연구목표를 가지고 연구를 수행하고자 한다.

1) 실험계획법을 이용한 가스용접이음재의 피로설계 파라메타 분석
2) 잔류응력을 고려한 가스용접이음재의 응력분포 해석 및 피로강도 평가
3) 확률론적 통계이론을 바탕으로 한 가스용접이음재의 피로설계기준 제시
4) 가스용접이음재의 피로설계기법 개발

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Since the design concept of the thin sheet structure such as a car, a railroad vehicle, and an airplane has been changed from the traditional fail life design to the safe life design, these structures must be designed so as to maintain proper structural rigidity to satisfy a long life. By the way, if design considering the structural rigidity only, then their collision performance and durability may be satisfied, however, passenger's damages will be large due to insufficient absorption ability of a strain energy by the collision. On the contrary, if structural rigidity decreases, then as opposite phenomenon will occur, it is necessary to make optimum design properly considered those problems. Of course, both of the structural durability and rigidity must be guaranteed. In recent, these problems has been so far improved by the remarkable advance of manufacturing technology, however, till now, one of the most important things interesting in the process of design is reliability on the static and dynamic durability of the weld, because welding technology for the manufacturing of the thin sheet structures makes the specific discontinuous weld shape. This discontinuous weld shape becomes a source of the stress concentration and fatigue crack initiation. As a method to improve these problems, the ⊿P-Nf relation curves have been used to determine a long life fatigue design criterion of the thin sheet structure. but, as this curves are varied by the influence of a welding condition, a mechanical condition, the geometrical factors and so on, it is very difficult to determine the fatigue design criterion systematically estimated them. Therefore, in order to improve the problems like this, welding residual stresses generated in the process of welding and the stress distributions around the weld by the external force were numerically and experimentally analyzed. On the base of the results, reassessed fatigue strength of gas welded joints. In order to ensure reliability on the welded joints of the structures and to analysis the relations of the factors affecting fatigue strength and life, both the variation of the characteristic value according to the factors and the influences of the optimum level and condition on the fatigue life was analyzed using a design experiment method. On the base of the results and an optimum design method, developed a fatigue design method and a program which is named as DES.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 [1]
• 1.1 연구배경 [1]
• 1.2 연구목적 [3]
• 1.3 종래의 연구 [5]
• 제 2 장 관련기초이론 [8]
• 2.1 가스용접 [8]
• 2.1.1 용접 입열 [8]
• 2.1.2 용접봉의 용융속도 [9]
• 2.1.3 용적이행(droplet transfer) 형식 [10]
• 2.2 용접구조물의 피로설계 방법 [10]
• 2.2.1 공칭응력 접근법 [10]
• 2.2.2 구조응력 접근법 [11]
• 2.2.3 노치응력/변형 접근법 [11]
• 2.3 실험계획법 [12]
• 2.3.1 실험계획법의 기본원리 [12]
• 2.3.2 실험계획법과 최적설계 [14]
• 2.4 신뢰성 이론 [19]
• 2.4.1 수명시험 데이터 분석이론 [19]
• 2.4.2 고장률과 고장확률밀도함수 [24]
• 제 3 장 실험계획법을 이용한 최적설계 파라메타 도출 [33]
• 3.1 머리말 [33]
• 3.2 실험계획법에 의한 인자와 수준 결정 [34]
• 3.3 피로데이터 분석에 의한 설계 파라메타 도출 [34]
• 3.4 맺음말 [37]
• 제 4장 가스용접이음재의 응력해석 및 피로강도 평가 [47]
• 4.1 머리말 [47]
• 4.2 가스용접이음재의 응력분포 해석 [48]
• 4.2.1 해석모델과 해석방법 [48]
• 4.2.2 해석결과 [49]
• 4.3 용접잔류응력의 수치해석 [50]
• 4.3.1 해석방법과 가정 [50]
• 4.3.2 해석결과 [51]
• 4.4 용접잔류응력의 실험해석 [52]
• 4.4.1 실험방법 [52]
• 4.4.2 실험결과 [52]
• 4.5 가스용접이음재의 피로강도 평가 [53]
• 4.5.1 시험편 및 실험장치 [53]
• 4.5.2 실험조건 및 실험방법 [53]
• 4.5.3 하중범위-피로수명 관계 [54]
• 4.5.4 응력진폭-피로수명 관계 [55]
• 4.6 용접잔류응력을 고려한 피로강도 평가 [56]
• 4.7 맺음말 [59]
• 제 5 장 가스용접이음재의 피로수명 예측기법 [86]
• 5.1 머리말 [86]
• 5.2 수명예측 방법 [87]
• 5.2.1 적합도 검정 [87]
• 5.2.2 가속계수 및 가속성 검증 [88]
• 5.2.3 가속모형 [88]
• 5.2.4 신뢰도 분석 [89]
• 5.3 가스용접이음재의 피로수명 예측 [90]
• 5.4 피로수명 예측 프로그램 개발 [96]
• 5.4.1 프로그램 구성 [97]
• 5.4.2 프로그램 내용 [98]
• 5.5 피로수명 예측 프로그램 메뉴얼 [99]
• 5.5.1 분석 대상재료의 정보입력 [99]
• 5.5.2 분포적합성 검정 [100]
• 5.5.3 가속성 검정 [101]
• 5.5.4 수명-스트레스 관계식 추정 [101]
• 5.5.5 물리적 가속모형 추정 [101]
• 5.5.6 예측된 수명의 정확도 분석 [101]
• 5.5.7 잔류응력을 포함한 수명예측 [102]
• 5.5.8 신뢰성 평가 및 신뢰도 예측 [102]
• 5.6 맺음말 [104]
• 제 6 장 총 론 [138]
• 6.1 결론 [138]
• 6.2 향후 연구과제 [142]