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알앤디파트너-해석, 시뮬레이션, 구조계산, 구조검토, 건축환경분석, 풍동실험, 지반조사, 지하탐사, 02-2057-2564
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금속의 피로와 파괴에 대한 연구는 재료나 구조물의
강도에 관한 학문분야에 속하며, 약 100년 동안 꾸준하면서도 활발히 연구되어 현재 그 응용분야도 광범위합니다. 이러한 안전과 직결되는 피로
문제를 해결하기 위해서는 피로거동의 해석이론을 충분히 이해하고 실제 문제들을 체계적으로 풀어 나갈 수 있는 능력을 기르는 것이
중요합니다.
금속의 피로는 반복하중이 가해지는 요소의 파단이나 손상을 야기하는 일련의 과정이며, 일반적으로 크게 두 가지로 구분합니다.
고주기(High-cycle) 피로는 하중의 반복 사이클 수가 큰(e.g., 1e4 - 1e9) 경우를 말합니다. 이 경우에 발생하는 응력
성분들은 일반적으로 재질의 인장 강도와 비교하면 작기 때문에 응력 수명 접근(Stress-Life approaches)을 사용하여 고주기 피로
수명을 예측할 수 있습니다. 저주기 피로(Low-cycle fatigue)는 관계된 반복 사이클 수가 작은 경우입니다.
저주기 피로에서는 주로
소성 변형을 동반하며, 이것은 단수명(Short fatigue life)으로 설명할 수 있습니다. 변형률 수명 접근(Strain-Life
approaches)은 저주기 피로를 평가하는데 가장 적합합니다. Fatigue Module add-on 라이센스는 응력 수명법과 변형률 수명법
모두를 Simulation에서 사용할 수 있게 해 줍니다.
피로에 의한 파손 단계는 다음과 같이 3단계로 발생합니다.
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1단계
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재질에서 하나 이상의 균열이 발생합니다. 균열은 재질의 어느 곳에서나 발생할 수 있지만 대개, 높은 응력 변동으로 인해 경계 면에서 발생합니다. 파손 또는 균열은 여러 가지 원인에 의해 발생할 수 있습니다. 예를 들어, 재질의 미세 구조가 불완전하거나 가공 또는 취급 시 생긴 표면의 긁힘 등이 원인이 될 수 있습니다.
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2단계
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일부 또는 전체적인 파손이 연속적으로 하중이 부가된 결과로 발생합니다.
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3단계
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부가된 하중을 견뎌낼 수 있는 설계 내구성이 모델에 파손이 발생할 때까지 계속해서 저하됩니다.
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 Fatigue Module의 피로 해석 영역 |
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Stress-Life Approach:
– Constant amplitude, proportional loading
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Variable amplitude, proportional loading
– Constant amplitude,
non-proportional loading
• Strain-Life Approach:
– Constant amplitude,
proportional loading
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Stress-Life Curve
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피로 파손에 대한 하중의 관계는 S-N Curve로 나타낼 수 있습니다. 주기적인 하중이
작용하는 부품인 경우 특정 반복 주기 후에 크랙(Crack) 또는 데미지(Damage)의 증가를 통해 파손이 발생할 것이며, 보다 큰 하중이
작용할 경우 파손되는 반복 주기가 감소할 것입니다. S-N Curve는 파손에 대한 응력 진폭과 반복 횟수의 관계를 나타내
줍니다.
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| Strain-Life Parameters |
변형률 수명법은 소성의 효과를 고려하기 때문에 응력
수명법과는 다릅니다. 전체 변형률 진폭 εa 와 관계된 수명(Nf)의 기본 방정식은 다음과 같습니다.
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| 지원되는 Loading Type |
Solution에 Fatigue Tool을 삽입한 후에
피로와 관련된 여러 가지 특성들을 상세 보기 창에서 입력할 수 있습니다. 하중의 타입은 “Zero-Based”, “Fully Reversed”,
“Ratio” 중에서 선택할 수 있으며, Scale Factor를 통해 이들 하중 이력을 스케일링할 수 있습니다.
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| Mean Stress Effect의 고려 |
“Goodman”, “Soderberg”,
“Gerber”의 평균 응력 수정 이론들을 사용할 수 있습니다. Goodman 이론은 저-연성(Low-ductility) 금속에 대해 안정적인
결과를 얻을 수 있습니다. 압축평균 응력에 대해서는 수정하지 않습니다. Soderberg 이론은 Goodman에 비해 더욱 보수적이며, 주로
취성(Brittle) 재질에 사용됩니다. Gerber 이론은 압축 평균 응력의 유해성(Harmful effect) 예측은 부정확하지만 인장 평균
응력 상태의 연성 재질에 대해 적합합니다.
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| Variable amplitude Case의 해석 절차 |
불규칙한 하중 이력의 Cycle counting은
Rainflow cycle counting라 불리우는 방법을 이용하며, 데미지(Damage) 시뮬레이션은 Palmgren-Miner rule를
통해 수행됩니다.
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| 피로 해석 결과 |
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• Life
– 파손(Failure)에 이르는
사이클 수를 Contour로 나타냄
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• Damage
– 설계 수명(Design
Life)과 유효 수명(Available Life)의 비율
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• Safety Factor
– 설계 수명을 갖는
응력 진폭과 현재 응력 진폭의 비를 안전 계수라고 하며, 이를 Contour로 표현
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• Biaxiality Indication
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응력 이축성 Contour plot은 각 위치마다 응력 상태를 결정하는데 도움을 줌
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• Fatigue Sensitivity
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Fatigue sensitivity는 중요 위치에서의 하중 변화에 따른 수명, 데미지 또는 안전 계수
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피로수명해석
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