3차원 유한요소해석을 이용한 표면피로균열 닫힘 현상에 관한 연구

Abstract

본 연구에서는 표면균열의 균열진전에 대한 3차원 유한요소해석을 실시하여 실험적으로 검증이 어려운 여러 현상들을 정성적으로 자세히 분석하였다. 또한, 유한요소해석 및 실험결과의 정량적 비교를 통하여 균열열림하중의 실험적 측정방법의 타당성을 검토하고, 유한요소해석을 이용한 표면균열의 균열열림하중 평가에 있어서 최적의 방법을 찾고자 하였다. 표면균열의 초기균열길이를 다르게 해도 균열이 진전된 영역의 균열열림변위는 균열길이점과 균열깊이점 모두 동일한 형상을 보이며, 표면균열의 균열면은 균열길이에 상관없이 균열면 내부가 먼저 열리고, 균열의 표면, 균열선단 순으로 열린다. 표면균열의 균열깊이방향은 완전한 평면변형률 상태를 보이나, 표면의 균열길이방향은 과도한 소성변형으로 인하여 완전한 평면응력 상태를 보이지 않으며, 하중작용시 최대소성역은 표면에서 2.5 도~ 5 도 안쪽에서 발생한다. 초기균열길이를 다르게 해서 균열을 진전시킬 경우, 되풀이 하중에 대한 균열열림하중의 안정화는 균열길이점의 경우는 균열길이점의 소성역 크기의 1배 정도 진전하였을 때, 균열깊이점은 균열깊이점의 소성역 크기의 8배 정도 균열이 진전되었을 때 나타난다. 감산변위, 감산변형률을 이용하여 균열열림하중을 측정할 경우, 균열길이점은 균열선단 전후의 감산신호로부터 정확하게 측정이 가능하나, 균열깊이점은 균열입구점의 감산변위를 이용하여 균열열림값을 측정할 경우 실제보다 높게 측정된다. 따라서 균열입구에서 측정된 균열깊이점의 균열열림하중은 보정이 필요하다. 균열길이점 및 균열깊이점의 균열열림하중은 요소크기에 따라 변하지만, 균열진전량이 균열선단의 소성역크기 정도가 되었을 때 균열열림하중은 최대값에 수렴하는 경향을 보인다. 균열깊이점의 열림하중을 보정계수를 이용하여 예측하는 방법을 이용하여 각 응력비(R=0, 0.1, 0.3)에 대해 실험결과와 해석결과를 비교할 경우, 최대 오차율 4 % 이내에서 비교적 잘 맞는다. 표면균열은 진전하면서 균열형상비가 변화하지만, 유한요소해석으로 균열열림하중을 계산할 경우, 균열형상비에 관계없이 a/c=1로 모델링하여 해석을 진행해도 오차율 2.6 % 이내의 비교적 동일한 수준의 균열열림하중을 얻을 수 있다.