부분 관통 구멍이 있는 인장판의 주응력 분포 차이 해석

박상현,김영철,김명수,백태현 사단법인 인문사회과학기술융합학회 2017 예술인문사회융합멀티미디어논문지 Vol.7 No.2

Stress concentrations around discontinuities, such as a hole in cross section of a structural member, have great importance because the most materials failure around the region may be occurred. Stress on the point applied by concentrated load reaches much larger value than the average stress in structural member. In this paper, stress analysis was performed for the plate with a partial through-hole to find the difference of the principal stress distribution. The difference between maximum principal stress and minimum principal stress in photoelasticity is equal to the value obtained by multiplying the isochromatic fringe order by the fringe constant of the material divided by the distance through which the light passes, that is, the thickness of the specimen. Since the difference of principal stress is proportional to the photoelastic fringe order, the distribution of the principal stress difference by the finite element analysis can be compared with the photoelasticity experimental result. ANSYS Workbench, that is the finite element software, is used to compute the differences of principal stresses at the specific points on the measured lines. The computation values obtained by ANSYS are compared with the experimental measurements by photoelasticity, and two results are comparable to each other. In addition, the stress concentration factor is obtained using the stress distribution analyzed from the variation of hole depth. Stress concentration factor is increasing, as the depth of hole increase. 기계구조물 부재의 단면에 구멍이나 또는 단면이 급격히 변화할 경우, 불연속 부분 주위에서 응력집중이 일어나며 파손이 발생하는 주요 원인이 된다. 그 이유는 부재에 작용하는 평균 응력보다 응력집중 부분에서 훨씬 큰 응력이 작용하기 때문이다. 본 논문에서는 시편의 부분 관통 구멍 주위에서 응력해석을 수행하여 구멍을 통과하는 선상의 주응력 차 값을 구하였다. 광탄성에서 최대주응력과 최소주응력의 차이는 등색프린지 차수와 재료의 프린지 상수를 곱한 값을 빛이 통과한 거리 즉, 시편의 두께로 나눈 값과 같다. 즉, 주응력의 차이는 광탄성 프린지 차수와 비례관계가 있으므로 유한요소 해석에 의한 주응력 차이의 분포를 광탄성 실험결과에 비교할 수 있다. 유한요소 범용 소프트웨어인 ANSYS Workbench를 이용하였으며 유한요소법으로 해석된 값을 광탄성 실험으로부터 측정된 값과 비교한 결과 유사한 결과를 얻었다. 이로서 유한요소해석 결과는 실험결과와의 비교를 통해 타당성이 입증될 수 있었다. 또한 구멍깊이 변화에 따라 나타나는 응력분포를 사용하여 응력집중계수를 구하였다. 구멍깊이가 증가할수록 응력집중계수는 증가함을 나타냈다.

유효응력해석과 등가선형해석을 이용한 매립지반의 액상화 평가

박성식(Park Sung-Sik) 대한토목학회 2008 대한토목학회논문집 C Vol.28 No.2

본 연구에서는 흙의 미소변형에서 대변형까지 고려할 수 있는 유효응력해석을 이용하여 매립지반에 대한 액상화 및 진동으로 발생하는 침하량을 예측하였다. 유효응력모델은 진동 중에 발생하는 과잉간극수압을 계산하여 이에 따른 흙의 강성저하와 수반되는 지반의 변위를 모델링하였다. 진동으로 인한 지반의 변형률 수준이 작은 경우에 적합한 등가선형해석을 이용한 액상화 평가를 실시하여 유효응력모델을 이용한 예측법과 비교하였다. 등가선형해석에서 계산된 전단응력비에 해당하는 표준관입시험치를 국내에서 발생 가능한 지진규모와 실트질 함유량에 따라 콘관입저항치로 환산한 값과 현장에서 계측된 콘관입저항치를 서로 비교하여 액상화 가능성을 예측하였다. 두 곳의 인천지역 매립지에 대한 액상화 해석을 위하여 매립지에서 계측된 콘관입저항치와 전단파 속도를 이용하여 입력 물성값을 결정하였다. 인천 매립지에 대한 두 액상화 해석 방법의 결과는 액상화 발생 여부에서 유사하였으며 깊이에 따른 연속적인 액상화 판정과 얇은 층의 액상화 예측이 가능하여 액상화 예측의 정밀도를 높였다. 유효응력모델을 이용한 액상화 해석 결과는 지표면 아래 20m 이내에서 초기 유효수직응력의 40%~70% 정도의 과잉간극수압이 발생하였으며 이로 인하여 지표면에서 10㎝ 미만의 침하가 발생하였다. In this study an effective stress analysis was performed to evaluate liquefaction potential and ground settlement for reclaimed sites. The effective stress model can simulate the stiffness degradation due to excess pore pressure and resulting ground deformation. It is applicable to a wide range of strain. An equivalent linear analysis suitable for low strain levels was also carried out to compare the effective stress analysis. Shear stress ratio calculated from an equivalent linear analysis was used to determine SPT blow count to prevent liquefaction. Depending on the magnitude of potential earthquake and fine contents, the SPT blow count was converted into an equivalent cone tip resistance. It was compared with the measured cone tip resistance. The measured elastic shear wave velocity and cone tip resistance from two reclaimed sites in Incheon were used to perform liquefaction analyses. Two liquefaction evaluation methods showed similar liquefaction potential which was evaluated continuously. The predicted excess pore pressure ratio of upper 20 m was between 40% and 70%. The calculated post-shaking settlement caused by excess pore pressure dissipation was less than 10 ㎝.

용접잔류응력의 영향을 고려한 원자로 내부구조물 중성자 조사취화 평가

김영찬(Yeong-Chan Kim),김종성(Jong-Sung Kim),장현수(Hyun-Su Jang) 대한기계학회 2021 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2021 No.4

가압경수로형 원자로 내부 구조물의 핵심 재료인 오스테나이트 스테인리스 강은 설계 수명 40 년에 걸쳐서 중성자 조사로 인한 중성자조사경화가 일어날 수 있다. 또한 용접잔류응력은 재료의 부식손상의 주요 원인 중 하나이다. 따라서 본 연구에서는 원전의 주요 기기인 원자로 내부 구조물의 용접잔류응력 해석을 진행하고, 그 후 설계 수명 40 년 동안 중성자 조사 해석을 진행하여 원자로 내부 구조물의 응력 분포를 확인하였다. 원자로 내부 구조물의 기하학적 형태는 원주 각도의 1/8 대칭이다. 따라서 본 연구에서는 45 도 각도의 3 차원 유한 요소 모델을 이용하여 해석을 진행하였다. 유한요소해석은 상용프로그램인 ABAQUS를 사용하였고 열전도도를 기반으로 한 Sequential Coupled Heat Transfer-Stress Analysis Procedure를 사용하여 용접잔류응력을 진행하였다. 원자로 내부구조물의 구성품인 Shroud Plate, Rib, Ring 및 Brace 와 용접금속에는 기계적인 물성의 차이가 존재하며, CMTR을 기반으로 Bi-Linear 소성 거동을 한다고 가정하였고 항복강도는 온도 변화에 따라 도출하였다. 이때 소성 거동은 보수적인 평과 결과를 제공하는 것으로 알려진 등방성 소성 경화 거동으로 가정하였다. 용접잔류응력 해석 뒤 중성자 조사 해석을 수행하기 위해서 User-Subroutine의 USFLD 와 UHARD를 사용하여 원자로 내부 구조물에 중성자 조사(dpa)분포를 형성하고 중성자조사로 인한 경화 해석을 수행하였다. 결과적으로 원자로 내부 구조물은 보수용접직후 높은 응력 분포를 나타내지만, 중성자 조사에 따라 응력 분포가 낮아짐을 알 수 있었고, 유한요소해석이 합리적으로 수행되었음을 나타낸다. Austenite stainless steel, a key material for reactor internal of pressurized light-water reactor nuclear power plant, can cause neutron irradiation hardening due to neutron irradiation over a design life of 40 years. Also, welding residual stress is one of the main causes of corrosion damage in material of reactor internal. Therefore, this study conducted a welding residual stress analysis of the reactor internal, which is the instrument of the nuclear power plant, and then conducted a neutron irradiation analysis for 40 years to verify the stress distribution of the reactor internal. The geometric shape of the reactor internal is 1/8 the symmetry of the circumference angle. Therefore, in this study, we proceed with the interpretation using a three-dimensional finite element model with an angle of 45 degrees. Finite element analysis was carried out using ABAQUS, a commercial program, and weld residual stress was carried out using the Sequential Coupled Heat Transfer-Stress Analysis Procedure based on thermal conductivity. Mechanical material differences exist in the components of the reactor internal structure, Shroud Plate, Rib, Ring, Brace, and weld metal, and the bi-Linear plastic behavior is assumed based on CMTR, and the yield strength is derived according to the temperature change. At this time, plastic behavior was assumed to be isotropic stiffening behavior known to provide conservative reviews and results, and plastic behavior was assumed to be isotropic stiffening behavior, which is known to provide conservative reviews and results. To perform neutron irradiation analysis after welding residual stress analysis, USFLD and UHARD of User-Subroutine were used to form a neutron irradiation (dpa) distribution in the structure inside the reactor and to conduct hardening analysis due to neutron irradiation. As a result, the structure inside the reactor exhibits a high stress distribution immediately after the repair weld, but neutron irradiation shows that the stress distribution decreases and that finite element analysis has been reasonably performed.

잔류응력의 영향을 고려한 용접부 내진 평가

김종성(Jong-Sung Kim),장현수(Hyun-Su Jang) 대한기계학회 2021 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2021 No.4

BDBE 와 같이 심각한 지진 하중 하에서 원자력 발전소의 안전성을 검증하기 위해 APR-1400의 가압기와 고온관을 연결하는 밀림배관의 탄소성 유한요소 해석을 수행하였다 [1~2]. 이전 연구에서 지진에 중요한 위치인 가압기 노즐과 핫레그 노즐의 용접부 모사할 때 3case (용접부의 기하학적 형상을 고려하지 않은 경우, 기하학적 형상과 용접 물성을 고려한 경우, 잔류응력을 고려한 경우)에 대해서 지진해석을 수행하였다. 잔류응력을 고려하여 지진해석을 수행한 경우, 누적소성변형률과 등가소성변형률이 다른 경우에 비해 상당히 크게 발생하였다. 잔류응력 해석시 용접부가 융착되는 시간은 매우 짧다. 따라서 본 연구에서는 잔류응력을 고려한 지진해석의 누적소성변형률과 등가소성변형률을 좀 더 현실적으로 시뮬레이션 하기 위해서 어닐링 온도를 고려하여 잔류응력 해석을 수행하였다. 용접 재료인 ER308l의 물성은 주기적인 테스트 결과를 가지고 있지 않기 때문에, 간단한 인장 실험의 결과를 통해 샤보세 경화 모델을 정의하였다. 또한 분석 변수(예: 지진 변위 시간 이력)는 이전 연구에 사용하였던 것과 동일한 값을 사용하였다. 잔류응력을 고려한 지진 해석시 핫레그 노즐과 용접부 사이에서 취약부위가 발생하였다. 취약 부위에 대해 ASME code [3]의 변형률 기반 허용 기준 평가를 수행하였고, 무결성이 만족되었다. 어닐링 온도는 잔류응력 해석에 의해 발생한 누적소성변형률과 등가소성변형률에 상당한 영향을 미치고, 그에 따라 잔류응력을 고려한 용접부의 내진 평가 시 여유도에 영향을 미치는 것을 확인하였다. To verify the safety of nuclear power plants under severe seismic loads, such as BDBE, the finite element elastic-plastic analysis of the surge line system connecting the pressurizer and the hot-leg of APR-1400 was conducted. In the previous study, seismic analysis was conducted on 3 cases (not considering geometry shape of weld, considering geometry shape of welds and material properties of welds, considering welding residual stress) when simulating welds in pressurizer nozzles and hot-leg nozzles, which are critical location for earthquakes. When seismic analysis was conducted in consideration of welding residual stress, accumulated plastic strain and equivalent plastic strain were significantly larger than those of other cases. When conducting welding residual stress, the time for weld to fuse is very short. Therefore, in this study, welding residual stress analysis was conducted considering annealing temperature to more realistic simulation of accumulated plastic strain and equivalent plastic strain of seismic analysis considering welding residual stress. The welding material was used as ER308l instead of TP316 which was previously used material. Since the properties of ER308l do not have cyclic test results, define the Chaboche hardening model through the results of a simple tensile experiment. Furthermore, the analytical variables (such as seismic displacement time history) used the same values as those used in previous study. The seismic analysis was conducted considering the effects of welding residual stress, and vulnerable point occurred between hot-leg nozzles and welds. The integrity was satisfied by performing strain-based acceptance criteria evaluation of ASME code. The annealing temperature was confirmed to have a significant effect on the accumulated plastic strain and the equivalent plastic strain caused by welding residual stress analysis. Accordingly, it was confirmed that the seismic evaluation of welds considering welding residual stress affects the margin.

정지궤도복합위성 추진계 배관망 구조해석

정규,임재혁,채종원,전형열 항공우주시스템공학회 2018 항공우주시스템공학회지 Vol.12 No.1

In this paper, the structural analysis of the Geostationary Korea Multi-Purpose Satellite-2 (GEO-KOMPSAT-2) tubing system is discussed, and the structural integrity of the tubing system is assessed by comparative analysis with the results of overseas partner AIRBUS. Securing structural reliability of the tubing system is a very important key element of the propulsion system of the GEO-KOMPSAT-2 satellite. Therefore, FE modeling of the propulsion tubing was carried out directly using the CAE program, and structural analysis was performed to evaluate the stress state under launch conditions. Hoop stress, axial stress, bending stress, and torsion stress were calculated according to diverse load conditions by using pressure stress analysis, thruster alignment analysis, sine qualification load analysis, and random qualification load analysis. From the results, the Margin of Safety (MoS) of the tubing system is evaluated, and we can verify the structural integrity of the tubing system when subjected to various launch loads. 본 논문에서는 정지궤도복합위성 추진계 배관망의 독자적인 구조해석을 실시하였고, AIRBUS의 구조해석결과와 비교분석을 통해 추진계 배관망의 구조적 건전성 및 해석방법의 신뢰성을 평가하였다. 추진계 배관망의 구조적 신뢰성 확보는 정지궤도복합위성 추진계의 매우 중요한 핵심요소이다. 따라서 CAE 프로그램을 통해 직접 추진계 배관망 모델링을 수행하였고, 발사환경에서 구조해석을 실시하여 응력을도출하였다. 내압응력해석, 조립정렬해석, 정현파진동해석, 랜덤진동해석의 하중조건에 따라 Hoop stress, Axial stress, Bending stress, Torsion stress를 구하였고, 이를 모두 고려한 von Mises 응력 계산 후 안전여유 결과 값을 도출함으로써 추진계 배관망의 구조적 건전성을 판단하였다.

I 형 축력부재의 잔류응력 패턴과 최대 잔류 응력을 고려한 접선탄성계수식

이경석,김승준,최진희,강영종,Lee,Kyung-Suk,Kim,Seung-Jun,Choi,Jin-Hee,Kang,Young-Jong 한국방재학회 2011 한국방재학회논문집 Vol.11 No.5

보 요소를 사용한 비선형 해석법에는 크게 소성영역법과 탄소성 힌지법, 그리고 개선소성힌지법이 있다. 그 중, 적은 계산량과 단면의 비탄성화의 진전을 고려 할 수 있는 개선 소성 힌지법은 현재 많은 연구자들에 의해 사용되고 있으며, 특히 축력 작용 시 잔류응력으로 인하여 단면이 점진적으로 소성화 되는 과정이 CRC 접선탄성계수로 표현되어 사용되고 있다. 하지만 기존의 식은 최대압축잔류응력을 항복응력의 50%로 가정하고 제한된 형태의 잔류응력 패턴에 대해 국한된 식이므로, I 형 단면의 재료 비선형해석에 대한 적용성에 한계가 있고 이는 유한요소해석 프로그램을 이용하여 기존식의 한계를 확인할 수 있었다. 본 연구에서는 새로운 접선 탄성계수식이 유도되었는데 이 식은 많은 연구자가 다루는 주요한 잔류응력 패턴, 최대 잔류응력의 크기, 단면의 형상 및 하중의 방향을 모두 고려할 수 있는 형태로 유도되었다. 유도된 식은 ABAQUS V6.9를 이용한 비탄성 해석을 통해 검증되었다. This paper suggests a reasonable tangential modulus equation of a steel I-section member subjected the axial force considering residual stress. In general, there are three analyses methods which can be used to inelastic analysis using a beam element, a plastic zone analysis, an elastic-plastic hinge analysis, and a refined plastic hinge analysis. Among these three analysis methods, a refined plastic hinge analysis has been performed by many researchers because of its efficiency as well as reasonability. In a refined plastic hinge analysis, the CRC tangential modulus equation is adopted to consider a gradual yielding effect when the member is applied the axial force. But, this CRC tangential modulus equation can consider only restricted residual stress pattern and maximum value of the residual stress which is a half of a yield stress. By inelastic finite element analysis in this research, this limitation of the CRC tangential modulus revealed. In this research, new tangential modulus equation of a steel I-section member subjected the axial force was derived. This equation can consider different residual stress patterns, maximum value of the residual stress, the geometry of the section, and the direction of applied axial force. And this equation is validated by the inelastic finite element analysis using ABAQUS V6.9.

원주 용접된 압력 매설강관의 거동 분석

Juntai Jeon,Chinhyung Lee,Kyongho Chang 한국재난정보학회 2015 한국재난정보학회 논문집 Vol.11 No.1

본 연구에서는 토압 등의 외압이 원주 용접된 매설 강관의 잔류응력에 미치는 영향을 유한요소 해석을 통하여 명확히 하였다. 먼저 3차원 열탄소성 해석을 통하여 원주 용접된 강관의 잔류응력을 구하였으며, 이를 초기조건으로 설정하여 3차원 탄소성 해석을 수행함으로써 외압이 작용하는 경우 잔류응력 거동을 조사하였다. 해석결과 외압에 의해 원주 용접부에 발생하는 원주방향 압축응력 때문에 원주방향 잔류응력이 압축 측으로 상당히 많이 이동함을 알 수 있었고, 축방향 잔류응력은 작용하는 외압에 의해 거의 영향을 받지 않음을 알 수 있었다. This paper presents finite element (FE) analyses to clarify the effects of external pressure on the residual stresses in a girth-welded steel pipe. At first, FE simulation of the girth welding process is carried out to obtain the weld-induced residual stresses employing sequentially coupled three-dimensional (3-D) thermo-mechanical FE formulation. Then, 3-D elastic-plastic FE analyses incorporating the residual stresses and plastic strains obtained from the preceding FE simulation are performed to investigate the residual stress behavior in the girth-welded pipe under external pressure. The FE analysis results show that the hoop compressive stresses induced by the external pressure significantly alter the hoop residual stresses in the course of the mechanical loading.

단이 진 인장부재 필릿과 구멍사이 응력집중에 관한 광탄성법 해석

백태현,김명수,김영철 사단법인 인문사회과학기술융합학회 2015 예술인문사회융합멀티미디어논문지 Vol.5 No.2

Stress concentrations around discontinuities, such as a hole or a sudden change in cross section of a structural member, have great important cause in the most materials failure because the stress near the points of application of concentrated loads can reach values much larger than the average value of the stress in the member. This paper presents the stress concentrations between fillet and hole at different locations in a stepped plate under tensile loading. The analysis for interaction effect of stress concentration was performed by photoelasticity and ANSYS which is a commercial finite element software. From the analysis results, the circular hole located at the different position from the fillet radius can cause different values of stress concentration factor within interacting region. 기계구조물 부재의 단면에 구멍이 있거나 단면이 갑자기 변화하는 경우, 응력집중이 발생되며 대부분 재료의 파손에 매우 중요한 원인이 된다. 단면의 급격한 변화로 집중하중이 작용되는 지점 근방에서의 응력은 부재의 평균응력보다 훨씬 크게 작용하기 때문이다. 본 논문에서는 인장하중을 받는 단이 진 판재 모서리의 필릿과 구멍사이의 응력집중에 대해 살펴보았다. 응력 집중의 상호 작용 효과에 대해서 광탄성실험법과 상용 유한요소 소프트웨어 ANSYS로 해석하였다. 해석 결과로부터, 필렛 반경에서 서로 다른 위치에 있는 구멍은 상호 간섭작용으로 상이한 응력집중계수 값들을 일으킬 수 있다.

토양환경에서 한계평형해석법, 강도감소법과 응력해석법을 이용한 사면안정해석법의 비교 연구

이병석 ( Byung-suk Lee ),( Mohammad Taimur Tanvir ),이광준 ( Kwang-joon Lee ) 한국환경기술학회 2015 한국환경기술학회지 Vol.16 No.5

본 연구에서는 동일한 지반조건 아래에서 한계평형해석법(Limit Equilibrium Method: LEM)과 유한요소해석인 강도감소법(Strength Reduction Method: SRM)과 응력해석법(Stress Analysis Method: SAM)의 해석결과를 비교 분석하였다. 동일한 사면에 지반의 전단강도와 여러 가지 해석인자에 따른 안전율의 변화경향을 알아보기 위해 각 인자들에 변화를 주고 해석을 수행하여 그 결과를 한계평형법의 안전율과 비교·검토하였다. 같은 조건에서 LEM과 SRM의 안전율을 비교 검토한 결과 SRM의 안전율이 LEM의 안전율보다 20∼30% 크게 나타났으며 안전율이 1보다 큰 경우에는 SAM의 안전율이 8∼9% 정도 크게 나타났으나 안전율이 1이하인 경우에는 SAM의 해석 결과를 신뢰할 수 없음을 확인할 수 있었다. This paper compares three analysis method in same soil condition. One is Limit equilibrium method (LEM) and the other two methods are Finite element methods, which are Strength reduction method (SRM) & Stress analysis method(SAM). We tried to observe the change in the factor of safety with different analysis factors, such as friction angle, cohesion, dilation angle and element size. We got the results as follows, the safety factors calculated by SRM were generally 20∼30% larger than them of LEM (in same soil condition). And in the case of SAM, when the safety factors were larger than 1, the safety factors were 8∼9% larger than them of LEM. But when the safety factor was less than 1, we could find that the method gave us wrong results.

수직응력의 감소가 부마찰이 작용하는 말뚝의 거동에 미치는 영향

이철주(Lee Cheol-Ju) 대한토목학회 2009 대한토목학회논문집 C Vol.29 No.1

부마찰이 작용하는 말뚝 주변지반의 수직 응력은 전단응력 전이 과정을 통해 감소하게 된다. 본 연구에서는 3차원 유한차분 해석을 실시하여 부마찰이 작용하는 단독말뚝 인근 지반의 수직응력 및 수평응력의 감소 및 그로 인한 말뚝의 거동변화에 대한 분석을 실시하였다. 또한 말뚝인근 지반의 수직응력 감소를 고려할 수 있는 간단한 식을 제안하였다. 말뚝에 부마찰이 작용하는 경우 Greenfield 조건에 비해 지반의 수직 및 수평응력이 상당히 크게 감소하는 것으로 나타났다. 수직응력이 감소되는 수평범위는 그리 넓지 않아서 최대 4-8 D 정도 인 것으로 분석되었다. 여기서 D는 말뚝의 직경이다. 본 연구를 통해 분석된 바에 의하면 부마찰력의 평가에 일반적으로 널리 이용되는 β-방법에 의해서는 부마찰력이 과다하게 평가될 수 있는 것으로 나타났으며, 따라서 원래의 공식에 수직응력의 감소를 반영할 필요가 있는 것으로 판단된다. Vertical soil stress near a pile subjected to negative skin friction (NSF) may be reduced due to shear transfer at the pile-soil interface. A three-dimensional finite difference analysis has been performed to clarify the influence of vertical and horizontal stress reductions on the pile behavour. In addition, a simple equation has been proposed to estimate vertical stress reduction of the soil near the pile. The vertical and horizontal stresses are reduced by substantial amount compared to corresponding stress components at the Greenfield condition. The horizontal extent of vertical stress reduction of the soil near the pile is rather limited to about up to 4-8 D, where D is the pile diameter. The findings from the current research indicate that widely used β-method may result in over-estimation of dragload (compressive force on piles due to NSF) and hence stress reduction needs to be incorporated in the original equation.