J-적분을 이용한 용접접합부 균열의 파괴 역학적 해석

장경호,이진형,Chang, Kyong Ho,Lee, Chin Hyung 한국강구조학회 2005 韓國鋼構造學會 論文集 Vol.17 No.2

용접접합부 균열의 파괴 역학적 해석을 위해서는 용접 중에 발생하는 잔류응력을 고려하여 해석이 수행되어야 한다. 잔류응력이 존재하면 J-적분은 더 이상 적분경로에 관계없이 일정한 값을 갖는 특성을 잃어버리게 된다. 그러므로 용접접합부 균열의 J-적분 해석을 위해서는 잔류응력이 존재하는 경우에도 적분경로에 관계없이 일정한 값을 갖는 새로운 J-적분식이 도입되어야 한다. 따라서 본 연구에서는 기존의 J-적분을 수정하여 잔류응력이 존재하는 경우에 경로 독립성을 유지하는 J-적분을 고찰하고, 이를 이용하여 잔류응력과 외력이 동시에 작용하는 균열선단에서의 J-적분을 해석할 수 있는 프로그램을 개발하였다. 자체개발한 탄소성 해석 프로그램을 이용하여 용접 시 잔류응력과 외력에 대한 응력분포를 계산하였으며, 이를 이용하여 잔류응력과 외력의 복합하중에 대한 J-적분을 계산하였다. The fracture mechanics analysis of a crack in a weld must consider residual stress generated during welding. The standard definition of the J-integral requires a path dependent value in the presence of a residual stress field. Therefore, it is necessary to develop a path independent J-integral definition for a crack in a residual stress field. This paper addresses the modification of the Rice-J-integral to produce a path- independent J-integral when residual stresses and external forces are present. The residual stress problem is treated as an initial strain problem and the J-integral proposed for this type of problems is used. A program which can evaluate the J-integral for a crack in a weld is developed using the proposed J-integral definition. The situation when only residual stress is present is examined as is the case when mechanical stresses are applied in conjunction with a residual stress.

J-적분을 이용한 이종강재 용접접합부 계면균열의 파괴역학적 해석

장경호,이진형 한국전산구조공학회 2004 한국전산구조공학회논문집 Vol.17 No.4

For the fracture mechanics analysis of cracks in welds of dissimilar steels, residual stress analysis and fracture analysis must be performed simultaneously. The standard definition of the J-integral leads to a path dependent value in the presence of a residual stress field. And unlike cracks in homogeneous materials, a bimaterial interface crack always induces both opening and shearing modes of stress in the vicinity of the crack tip. Therefore, it is necessary to develope a path independent J-integral definition for a crack in a residual stress field generated by welding of dissimilar steels. This paper addresses the modification of the Rice-J-integral to produce a path-independent J-integral when residual stresses due to welding of dissimilar steels and external forces are present. The residual stress problem is treated as an initial strain problem and the J-integral proposed for this class of problems is used. And a program which can evaluate the J-integral for a crack in a weld of dissimialr steels is developed using proposed J-integral definition. 용접접합부 균열의 파괴역학적 해석을 위해서는 용접중에 발생하는 잔류응력해석과 파괴해석이 병행되어야 한다. 잔류응력이 존재하면 J-적분은 더 이상 적분경로에 관계없이 일정한 값을 갖는 특성을 잃어버리게 된다. 또한 균질한 재료와는 달리 이종재료 계면균열에서는 균열선단에서 Mode I과 Mode II의 파괴거동이 동시에 발생한다. 그러므로 이종강재 용접접합부 균열의 J-적분 해석을 위해서는 이종강재 용접시 발생하는 잔류응력이 존재하는 경우에도 적분경로에 관계없이 일정한 값을 갖는 새로운 J-적분식이 도입되어야 한다. 따라서 본 연구에서는 기존의 J-적분을 수정하여, 이종강재 용접시 발생하는 잔류응력이 존재하는 경우에 경로 독립성을 유지하는 J-적분을 고찰하고, 이를 이용하여 잔류응력과 외력이 동시에 작용하는 균열선단에서의 J-적분을 해석할 수 있는 프로그램을 개발하였다. 자체개발한 탄소성 해석프로그램을 이용하여 이종강재 용접시 잔류응력과 외력에 대한 응력분포를 계산하였으며, 이를 이용하여 잔류응력과 외력의 복합하중에 대한 J-적분을 계산하였다

J-적분을 이용한 이종강재 용접접합부 계면균열의 파괴역학적 해석

이진형,장경호,Lee Chin-Hyung,Chang Kyong-Ho 한국전산구조공학회 2004 한국전산구조공학회논문집 Vol.17 No.4

용접접합부 균열의 파괴역학적 해석을 위해서는 용접중에 발생하는 잔류응력해석과 파괴해석이 병행되어야 한다. 잔류응력이 존재하면 J-적분은 더 이상 적분경고에 관계없이 인정한 값을 갖는 특성을 잃어버리게 된다. 또한 균질한 재료와는 달리 이종재료 계면균열에서는 균열선난에서 Mode I과 Mode II의 파괴거동이 동시에 발생한다. 그러므로 이종강재 용접접합부 균열의 J-적분 해석을 위해서는 이종강재 용접시 발생하는 잔류응력이 존재하는 경우에도 적분경로에 관계없이 일정한 값을 갖는 새로운 J-적분식이 도입되어야 한다. 따라서 본 연구에서는 기존의 J-적분을 수정하여, 이종강재 용접시 발생하는 잔류응력이 존재하는 경우에 경로 독립성을 유지하는 J-적분을 고찰하고, 이를 이용하여 잔류응력과 외력이 동시에 작용하는 균열선단에서의 J-적분을 해석할 수 있는 프로그램을 개발하였다. 자체개발한 탄소성 해석프로그램을 이용하여 이종강재 용접시 잔류응력과 외력에 대한 응력분포를 계산하였으며, 이를 이용하여 잔류응력과 외력의 복합하중에 대한 J-적분을 계산하였다. For the fracture mechanics analysis of cracks in welds of dissimilar steels, residual stress analysis and fracture analysis must be performed simultaneously. The standard definition of the J -integral leads to a path dependent value in the presence of a residual stress field. And unlike cracks in homogeneous materials, a bimaterial interface crack always induces both opening and shearing modes of stress in the vicinity of the crack tip. Therefore, it is necessary to develope a path independent J-integral definition for a crack in a residual stress field generated by welding of dissimilar steels. This paper addresses the modification of the Rice-J-integral to produce a path independent J -integral when residual stresses due to welding of dissimilar steels and external forces are present. The residual stress problem is treated as an initial strain problem and the J-integral proposed for this class of problems is used. And a program which can evaluate the J -integral for a crack in a weld of dissimialr steels is developed using proposed J integral definition.

반타원 표면 균열 인장 평판의 탄소성 J-적분에 미치는 평판 폭-두께비의 영향: 1. 기존 평가식의 문제점

신지수(Ji-Su Shin),김재민(Jae-Min Gim),김윤재(Yun-Jae Kim) 대한기계학회 2020 大韓機械學會論文集A Vol.44 No.10

본 논문에서는 인장 하중을 받는 반타원 표면 균열 평판에 대한 유한요소 해석을 수행하여 균열선단에서 탄소성 J-적분을 계산하고 이를 기존의 J-적분 예측식과 비교하였다. 특히 평판 폭-두께비가 균열 선단의 J-적분에 미치는 영향을 분석하기 위하여 다양한 평판 폭-두께비에 대한 해석을 수행하였다. 유한요소 해석 결과, 평판 폭-두께비가 작을 때 기존의 예측식이 허용 가능한 오차로 균열 선단의 J-적분을 예측함을 확인하였다. 하지만 평판 폭-두께비가 커짐에 따라 기존 식에서 발생하는 비보수성이 증가하며, 기존 식 대비 최대 3.5배의 비보수적인 J-적분이 계산되었다. In this study, the elastic-plastic J of a tension-loaded plate with a semi-elliptical surface crack was calculated using finite element (FE) analysis. The results were then compared with those obtained using the existing J-integral estimation equation. To analyze the effect of the plate width-to-thickness ratio on J, a wide range of plate width-to-thickness ratio were considered. It was found that the existing estimation equation can predict J-integral within a small margin of error when the plate width-to-thickness is small. However, as the plate width-to-thickness ratio increases, the margin of error increases up to 3.5 times the estimated J.

원주방향 균열 배관에 대한 R6, RCC-MR A16 코드에 의한 1,2 차 복합 하중하에서 J-적분 비교

남현석(Hyun Suk Nam),오창영(Chang Young Oh),김윤재(Yun Jae Kim) 대한기계학회 2013 大韓機械學會論文集A Vol.37 No.5

본 논문에서는 R6 코드와 RCC-MR A16 코드에서 원주방향 균열 배관에 대해 제시하는 1,2차 복합 하중하에서 J-적분 계산법에 대한 정량적인 비교를 하였다. 균열의 형상, 균열의 깊이, 2차 하중의 크기 변수에 대한 유한요소 해석을 수행 하였고 유한요소 해석 결과를 이용해 각 코드의 J-적분 평가법에 대한 정량적인 비교를 하였다. R6 코드는 Lr=1 부근에서 보수적으로 평가 되었으며 RCC-MR A16 코드의 경우 기계하중이 작은 영역에서 보수적으로 평가되었다. 이와 같은 결과를 토대로 본 논문에서는 원주방향 균열이 있는 배관에 대하여 각 코드의 J-적분 계산을 보완할 수 있는 방법을 제시하였다. 그 결과로 보완된 J-적분 계산이 유한요소해석 결과와 잘 일치하는 것을 확인 하였다. This paper provides a comparison of the J-integral estimation method under combined primary and secondary stress in the R6, RCC-MR A16 code. The comparisons of each code are based on finite element analysis using ABAQUS with regard to the crack shape, crack depth, and magnitude of secondary load. The estimate of the R6 code is conservative near Lr = 1, and that of the RCC-MR A16 code is conservative near Lr = 0. As a result, this paper proposes a modified method of J-integral estimation in the R6, RCC_MR A16 code. The J-integral using the modified method corresponds to the finite element analysis result.

平面應力 破壞靭性値 擧動에 관한 硏究

송삼홍,고성위 대한기계학회 1986 대한기계학회논문집 Vol.10 No.6

본 논문에서는 이와 같은 점을 고려하여 두께가 얇은 평면응력 상태의 CT 시 험편을 이용하여 W와 z의 변화에 따른 파괴인성치와 J저항곡선의 거동 및 크랙성장을 고려한 J적분식도 검토하였다. 또한, 재료를 변형경화 재료로 가정하고 HRR 응력변 형율장의 특성을 이용하여 컴퓨터 프로그램을 작성하여 J적분을 구한 후 실험치와 상 호 비교 검토하였다. 이 때 사용한 입력자료는 실험치의 그것과 동일하게 하였다. In this paper, the plane stress fracture toughness of low carbon steel with 3mm thickness is investigated for various specimen widths and crack ratios using the J integral. The experiments is carried out for the compact tension(CT) specimen on an Instron machine. For materials that may be approximated by the Ramberg and Osgood stress strain law, the relevant crack parameter like the J integral and load line displacement are approximately normalized. Crack driving forces in terms of J integral is computed using the above estimation scheme. Abtained results are summarized as follows. (1) The plane stress fracture toughness, J$_{c}$, is almost constant in the range 50-70mm of width. Hence J$_{c}$ can be obtained by using smaller specimen than ASTM standard. (2) Yoon's and Simpson's formular which considers crack growth in obtaining J integral show more consevative J than Rice's and Merkle's (3) J$_{c}$ is almost constant in the range 0.499-0.701 crack ratios tested. J$_{c}$ obtained by using Kumar's formular is 28.14kgf/mm for base metal specimen and 32.51kgf/mm for annealed. (4) Comparison of the prediction with actual experimental measurements by Yoon's formular show good agreement for several different-size specimens.

$J_k$ 적분을 이용한 이방성 복합적층판에 대한 혼합 모우드 파괴문제의 해석

주석재,홍창선 대한기계학회 1989 대한기계학회논문집 Vol.13 No.3

본 논문에서는 J$_{1}$,J$_{2}$ 적분과 K$_{I}$,K$_{II}$ 사이의 완전한 관계를 좁은 직사각형 경로를 택하여 간판하게 유도하였다. 그리고 유한요소의 해로 J$_{2}$적분을 효율적으로 계산하는 방법을 제시하였다.이미 해가 존재하는 문제 를 본 방법으로 다루어 그 결과를 비교하였고 일방향(unidirectional) 적층판 cantil- ever 평판 내의 single edge crack에 대한 해를 제시하였다. The $J_{k}$ integral method for determining mixed mode stress intensity factors separately in the cracked anisotropic plate is developed. Stress intensity factors are indirectly determined from the values of $J_{1}$ and $J_{2}$. The $J_{2}$ integral can be evaluated efficiently from a finite element solution, neglecting the contribution from the portion of the integration contour along the crack faces, by selecting the integration contour in the vicinity of the crack tip. Using functions of a complex variable, the complete relations between $J_{1}$, $J_{2}$ and $K_{I}$ , $K_{II}$ for anisotropic materials are derived conveniently by selecting narrow rectangular contours shrinking to the crack tip. Compared to the existing path independent integral methods, the present method does not involve calculating the auxiliary solution and hence numerical procedures become quite simple. Numerical results to various problems are given and demonstrate the accuracy, stability and versatility of the method.

점용접시편의 과부하해석 및 유효 J-적분에 의한 피로수명예측

이형일,최진용,Lee, Hyeong-Il,Choe, Jin-Yong 대한기계학회 2000 大韓機械學會論文集A Vol.24 No.3

This paper proposes an integrated approach, which is independent of specimen geometry and loading type, for predicting the fatigue life of spot welded specimens. We first establish finite element models reflecting the actual specimen behaviors observed on the experimental load-deflection curves of 4 types of single spot welded specimens. Using finite element models elaborately established, we then evaluate fracture parameter J-integral to describe the effects of specimen geometry and loading type on the fatigue life in a comprehensive manner. It is confirmed, however, that J-integral concept alone is insufficient to clearly explain the generalized relationship between load and fatigue life of spot welded specimens. On this ground, we introduce another effective parameter $J_e$ composed of $J_I$, $J_{II}$, $J_{III}$, which has been demonstrated here to more sharply define the relationship between load and fatigue life of 4 types of spot welded specimens. The crack surface displacement method is adopted for decomposition of J, and the mechanism of the mixed mode fracture is also discussed in detail as a motivation of using $J_e$.

구름 및 미끄럼 접촉하의 중공원판의 표면하층균열에 대한 J-적분

이강용,김준엽,Lee, Kang-Yong,Kim, June-Yeop 대한기계학회 1997 大韓機械學會論文集A Vol.21 No.7

J-integral for a subsurface horizontal crack in a circular plate with an inner hole under rolling line contact is evaluated according to loading positions with various load conditions, crack length and crack location. Two-dimensional crack is modeled, and the relation between Tresca stress for uncracked model and J-integral is discussed. The loading location which gives the maximum J-integral depends on load condition and crack location, and the presence of friction force increases Tresca stress and J-integral near the surface. Regardless of friction force, crack location that gives maximum J-integral is the same as that of maximum Tresca stress in an uncracked model, and the value of J-integral is propotional to crack length. It is also showed that the variation of an inner radius of a disk does not effect J-integral value.

용접부 잔류응력에 기인한 경로의존성 J-적분의 측정에 대한 연구

강선예(Seon-Ye Kang),유완(One Yoo),박성호(Sung-Ho Park),윤기석(Ki-Seok Yoon),최택상(Taek-Sang Choi),이봉상(Bong-Sang Lee) 대한기계학회 2005 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2005 No.5

The J-integral is an important fracture mechanics parameter applicable for many areas which provide the integrity evaluation methods. Fracture of welding structure usually starts at weld region due to high weld residual stress and defects easily found in it. However, it is difficult to calculate the correct J-integral of the structure containing weld because J-integral is path dependent due to the residual stress. It is also true that there are no evidence that the J-integral measuring methods suggested by the ASTM or others are appropriate for J-integral specimens with the residual stress. Therefore, in this paper, the J-integral measuring methods suggested by the ASTM or others were evaluated and the CMOD based J-integral measuring method is suggested as an appropriate method for measuring J-integral of specimens containing weld residual stress.