피로 균열 성장 해석을 위한 응집영역 모델의 개발
Development of a cohesive zone model for fatigue crack growth analysis
- 주제(키워드) cohesive element , PPR model , crack growth
- 발행기관 서울과학기술대학교
- 지도교수 김현규
- 발행년도 2018
- 학위수여년월 2019. 2
- 학위명 석사
- 학과 일반대학원 기계공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/snut/200000178167
- 본문언어 한국어
- 저작권 서울과기대 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
기술이 발전해 가면서 재료의 수명이나 성능을 향상시키기 위해 코팅을 하거나 두 가지 이상의 재료를 사용하는 경우가 많아졌다. 이러한 경우에는 재료 사이의 계면이 존재하게 된다. 계면의 존재는 파손이 일어날 수 있는 많은 가능성을 가지고 있다. 이런 취약성을 가지고 있는 상황에서 반복하중에 의한 손상은 피할 수 없으며 이로 인해 계면 사이의 피로 균열 성장이 발생한다. 이러한 관점에서 피로 균열 성장을 예측하는 것은 구조물의 건전성을 평가하는데 매우 중요하다. 또한 손상을 수식에 의해 계산함에 있어 단조하중에 의한 정적손상 뿐만 아니라 반복하중에 의한 피로손상을 모두 고려해줘야 한다. 단조하중에 의한 정적손상은 구조물의 파손에 가장 큰 영향을 기여한다. 그러나 구조물이 겪는 하중의 상태가 임계하중 아래에서의 반복하중을 겪는 상황이면 피로손상을 충분히 고려해야 한다. 다양한 재료에 대한 피로균열 성장의 기존의 연구들은 Paris’law에 기반을 두어 진행되었다. 하지만 재료의 소성 거동이 균열 성장과정에 영향을 끼치지 않는다. 라는 가정을 포함하고 있어 사용할 수 있는 곳이 제한적이다. 탄-소성 하중상태에서 연성재료의 피로균열을 예측하는데 응집영역 모델링은 대안적인 방법이 된다. 그중에서 퍼텐셜에 기반을 두고 순수 파괴모드의 물리적 성질인 파괴에너지, 최대응집강도를 자유롭게 반영할 수 있는 PPR (Park-Paulino-Roesler) 모델을 이용하였다. 본 연구에서는 이종재료 접합 또는 균열 선단의 균열 진전 모사를 해석하기 위한 방법으로 복합하중에 강점을 나타내는 퍼텐셜에 기반을 둔 PPR 응집요소와 반복하중에 의한 손상을 계산할 수 있는 식을 결합하였다. 결합한 모델을 이용하여 4가지의 하중상태에 따른 트랙션 식을 정의하였다. 그리고 각 하중상태에 따라 적용되는 손상 값을 달리 하였으며 강성의 감소 및 파괴에너지, 최대응집강도의 감소 또한 다르게 표현하였다. 본 연구에서는 응집법칙을 가장 잘 확인 할 수 있는 단일요소를 이용하여 검증하였으며 하중의 상태가 mode Ⅰ, mode Ⅱ, mixed mode에 대하여서 반복하중에 의한 응집법칙이 감소함을 확인 할 수 있었다.
more초록/요약
Depending on the type of structure or situation, the load applied is different. In such a situation, a structure that repeatedly receives loads below the critical load does not have a finite lifetime in practice. Therefore, prediction of fatigue crack growth by cyclic loading is very important to evaluate the integrity of the structure. Since the curvature at the tip of the crack comes close to 0, theoretically, the stress is infinite. In order to avoid such a situation, it is necessary to develop cohesive elements considering fatigue damage due to cyclic loading. In this study, we applied equations which can numerically calculate simple impairment and repetitive damage to PPR model with potential equation by physical coefficients. Then, we divided the developed potential equation into 4 sections (loading, unloading, reloading, failure) to define damage application and traction path. We could see the traction - separation law in the case of a repetitive load using a single element.
more목차
요약 ⅰ
표 목차 ⅱ
그림목차 ⅱ
기호설명 ⅳ
I. 서 론 1
II. 이론적 배경 4
1. 균열 선단에서의 응집요소 4
2. 반복하중에 의한 피로 파괴 7
III. 응집영역 모델 9
1. 기존의 응집영역 모델 9
2. PPR (Park-Paulino-Roesler) 응집영역 모델 12
IV. 손상식과 PPR 모델의 결합 19
1. 손상식 정의 및 결합 방법 19
2. 각 구간별 응집법칙 경로 설정 21
V. 단일요소를 사용한 반복하중에 의한 응집법칙 27
1. mode Ⅰ에 대한 반복하중에 의한 응집법칙 27
2. mode Ⅱ에 대한 반복하중에 의한 응집법칙 30
3. mixed mode에 대한 반복하중에 의한 응집법칙 33
Ⅵ. 결론 36
참고문헌 37
영문초록(Abstract) 39
감사의글