混合모드下에서 가지龜裂 形象變化에 따른 疲勞 破壞 擧動에 關한 硏究 = (A) study on the fatigue fracture behaviour with variation of branched crack under mixed mode

국문 초록 (Abstract)

최근 대부분 구조물의 피로 파괴 거동은 선형 파괴 역학을 기초로 한 단축 하중에서 피로 파괴 거동을 연구한 것이 대부분이다. 그러나 실제 구조물인 자동차의 차체나 압력 용기, 또는 항공기 등에는 인장, 전단, 비틀림 등의 상호 혼합된 형태의 혼합 모드 하중을 받고 있다(1). 또한 이러한 구조물의 균열 주변을 세밀하게 관찰하여 보면 대부분 균열 주변에는 다양한 형태의 하중이 작용하고 있다. 또한 균열 전파시 균열은 일정한 방향 또는 크기로 전파하는 것이 아니고 다양한 형태로 균열이 진행되어 결국 균열은 혼합 모드 상태에 놓이게 된다. 따라서 균열 선단은 균열의 가지 현상(Crack branching)을 수없이 반복 생성하면서 파괴가 진행된다. 이와 같이 구조물에 대한 경제성 및 안전성 평가 기준에 대한 요구는 더욱 더 심화되고 있는 실정이다.
따라서 혼합 모드 상태의 균열에 대한 파괴 역학적 안전성을 평가 할 수 있는 평가 기준과 최적 설계 기준을 도출하기 위해서는 균열의 형상 변화에 따라 파괴 역학적 검토를 토대로 한 피로 균열의 전파 거동에 대한 연구가 반드시 선행되어져야 한다고 판단된다.
이와 같이 혼합 모드 상태에서의 피로 균열 전파 거동을 파괴 역학 적으로 고찰한 연구들이 다수 보고되고 있다. 지금까지의 연구를 종합하여 볼 때 대부분의 연구는 혼합 모드 상태에서의 피로 균열 성장률에 대한 것이 대부분이며, 가지 균열(Branched Crack)의 형상
변화에 따른 피로 균열 성장 거동 및 균열 성장 방향에 대한 연구는 매우 부족한 실정이다.
특히 최근 자동차의 차체 제작용 기법으로 레이저 용접(Laser Welding)법이 새롭게 대두되고 있는데 레이저 용접(Laser Welding)법을 이용하여 차체 제작의 안전성을 확보하기 위해서는 차체 제작시 발생할 수 있는 혼합 모드 균열에 대한 다양한 파괴 역학적인 고찰이 선행되어져야 한다.
따라서 이러한 중요성을 인식하여 실제 자동차에 사용되는 얇은 판재에 나타날 수 있는 다양한 형상의 가지 균열에 대한 피로 균열 전파 거동에 대한 연구가 절실히 필요한 실정이다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The applications of fracture mechanics have traditionally concentrated on cracks loaded by tensile stresses, and growing under an opening or mode I mechanism. However, many cases of failures occur from growth of cracks subjected to mixed mode loading. Several criteria have been proposed regarding the crack growth direction under mixed mode loadings. This paper is aimed at investigation of fatigue crack growth behaviour under mixed mode(Ⅰ+Ⅱ) with variation of angle and precrack length about non-welded and welded specimens in two dimensional branched type precrack. Especially the direction of fatigue crack propagation was predicted and effective stress intensity factor was calculated by finite element analysis(FEA). In this paper, the maximum tangential stress(MTS) criterion was used to predict crack growth direction. Not only experiment but also finite element analysis was carried out and the theoretical predictions were compared with experimental results.
Both experimental and finite element analysis results under mixed mode, crack growth direction was extended with a slant angle at the initial status, but fatigue crack have a tendency to extend in a straight line as the fatigue crack length increased. And the crack growth angle between fatigue crack and upper precrack was decreased to the increment of lower precrack length. In investigation of effective stress intensity factor, there was little difference between the variation of crack length, which is the lower precrack length. In case of laser welded specimens, the direction of crack propagation was go on non-welded crack tip. These results indicate that the rate of crack increase, influence on increment of mode Ⅱ, or K_(Ⅱ) was negligible, consequently the effective stress intensity factor was mainly influenced by mode I, or K_(Ⅰ) therefore fatigue crack propagation was governed by mode I