열적 기계적 하중이 작용하는 구조물의 비탄성 해석과 수명 예측

Abstract

본 연구는 비탄성 구성식과 수명 예측 모델, 그리고 유한 요소법을 결합한 고온 구조물의 안정성 평가 체계 구축을 목표로 한다. 특히 온도 변화에 의한 열응력이 주요 파손 기구로 작용하는 고온 구조물의 안정성 평가에 대한 연구를 중점적으로 수행하였으며 일정 온도에서 개발된 모델을 변온 조건으로 확장하는 합리적인 방법론을 제시하였다. 316L 스테인레스 강과 429EM 스테인래스 강의 반복 변형실험을 통해 재료의 변형 거동의 모사에 다층 모델(Overlay model)이 적합함을 보였다. 또한 기존의 다층 모델에서 모사하기 힘들었던 반복 경화(혹은 반복 연화), 변형률 진폭 의존성을 고려한 수정 다층 모델을 제안하였다. 이력곡선을 선형 구간과 비선형 구간으로 분리하고 각각의 온도 의존성을 고려하는 방법을 제시하였으며 이를 통해 각 온도의 재료 상수를 구하지 않고도 이력곡선의 온도 의존성을 간단한 함수 형태로 표현할 수 있게 하였다. 개발된 구성식의 적용성을 평가하기 위해 열적 기계적 피로 실험을 수행하였다. 유도 코일을 이용한 열적 기계적 피로 실험기를 개발하였으며 저주기 피로 실험에 적절한 2-2 역턴 코일과 열적 기계적 피로 실험에 알맞은 2-2 정턴 코일을 제작하였다. 이력곡선의 온도 의존성을 이용하여 열적 기계적 피로 이력곡선을 정확히 예측할 수 있음을 보였다. 기존의 수명 평가법의 복잡성과 연속체 손상 모델의 단점을 극복하기 위해 연속 손상 모델을 개발하였다. 이 모델은 소성 에너지-수명 관계식과 손상발생에 미치는 역변형률(Reveresed strain)의 영향을 고려하여 연속적인 손상 발생을 모사할 수 있도록 구성하였다. 또한 온도가 변하는 경우나 변동 하중이 작용하는 경우에도 수명을 예측할 수 있도록 하였다. 개발된 모델을 사용할 경우 추가적인 후처리 없이 현재 상태의 손상분포를 알 수 있기 때문에 구조물의 수명예측 절차를 단순화시키고 구조 설계 단계에서 유용하게 사용될 수 있음을 보였다. 개발된 비탄성 구성식과 수명 예측 모델을 유한요소 해석코드(ABAQUS)와 결합하여 고온 구조물의 안정성 평가 체계를 구축하였다. 온도 변화에 의한 열응력이 주요한 파손 기구로 작용하는 고온 구조물인 가솔린 엔진의 exhaust manifold 의 수명 평가를 수행하여 개발된 안정성 평가 체계의 적용성을 검증하였다