구조응력 기반 Master S-N 선도를 이용한 노치를 가진 Al 7075 시편의 피로수명예측

국문 초록 (Abstract)

일반적으로 설계자들은 노치를 가지는 구조물에 대하여 정적/동적 하중상태에서 노치에 따른 응력 집중 파라미터인 응력집중계수(Kt)와 응력확대계수(ΔK)를 이용하여 피로설계를 하고 있다.
그러나 기하학적으로 표현 할 수 없는 노치의 존재로 인한 수치적인 접근이 어렵기 때문에, 실제 기계 부품들에서의 응력집중 파라미터의 값은 알려지지 않거나 산정하기 어려운 경우가 많다.
근래들어 설계시 응력집중계수 (Kt)를 사용하지 않는 FEM(Finite Element Method) 등의 해석을 이용하여 노치부위의 응력을 결정하고 있으나, 이 방법 또한 요소의 크기에 따라 응력결과 달라지는 요소 민감성으로 인해 응력값을 계산해 내기가 어렵다.
이를 보완하기 위한 방법으로 용접 분야에서는 노치부위의 피로수명 평가 시 핫스팟 방법과 구조응력법이 제안되었으며, 일반 노치 부위에도 구조응력 기반 Master S-N 선도를 이용한 피로예측이 시도되었다.
본 논문에서는 Battelle 연구소에서 수행한 Al 7075-T6 노치시편(Kt=1.5,2,4,5))에 대한 피로시험데이터로 부터 구조응력을 계산하고 Master S-N 선도를 작성하였다. 또한 선도의 유용성과 정확도를 검토하기 위해 Kt가 3에 해당하는 시편에 대해 Master S-N 선도를 이용하여 피로수명을 예측하고 시험을 수행 후 비교분석하였다.
추가적으로 응력-수명방법, 변형률-수명방법, LEFM(Linear Elastic Fracture Mechaism)방법과 핫스팟 방법을 이용한 예측결과와 실험결과를 비교 하였다.
연구 결과 임의의 응력 집중 계수를 갖는 노치가 있는 구조물에 대한 피로수명평가에 마스터 S-N 선도를 적용하는 것이 가능하다는 것을 보여준다.