휜 광폭평판 시편과 실배관의 균열선단 응력장 유사성 평가 :Investigation into transferability of stress fields between curved wide plate and actual pipe

장윤영

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자료유형: 학위논문

저자정보: 장윤영 (서울과학기술대학교, 서울과학기술대학교 대학원)

지도교수: 허남수

발행연도: 2016

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2018

표면결함이 존재하는 휜 광폭 평판 시편과 가스 배관의 균열 선단의 응력장 유사성 분석

장윤영 , 장동주 , 허남수 외 3명 대한기계학회 춘추학술대회 2018.02 학술대회자료

2016

휜 광폭평판 시편과 실배관의 균열선단 응력장 유사성 평가

장윤영 2016.01 학위논문

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본 논문에서는 균열이 존재하는 실배관과 휜 광폭평판의 균열 선단의 정확한 균열 거동을 예측하기 위해 휜 광폭평판 시편 및 실배관의 다양한 면내 및 면외 구속상태가 균열선단의 구속상태에 미치는 영향을 분석하였다. 면내 구속상태로 균열 길이, 휜 광폭평판의 폭, 배관의 하중조건 그리고 가공경화지수가 고려되었으며, 면외 조건으로는 배관 및 휜 광폭평판의 두께가 고려되었다. 배관의 하중 조건은 굽힘, 인장, 내압 하중이 고려되었으며, 휜 광폭평판의 하중 조건은 인장 하중만 고려되었다. 균열부 구속상태를 정량화하기 위해 Q-응력을 이용하였으며, 탄소성 재료 경화 거동을 고려하기 위해 Ramberg-Osgood 관계 재료 모델을 적용하였다. 면내 및 면외 조건의 영향을 체계적으로 분석하기 위해 3차원 탄소성 유한요소해석을 체계적으로 수행하였다.
해석 결과를 기반으로, 균열 길이, 배관의 두께, 휜 광폭평판의 폭은 배관과 휜 광폭평판의 균열부 구속상태에 영향을 미치는 것을 확인하였다. 하지만 배관의 두께가 감소할 경우 균열 길이와 휜 광폭평판의 영향이 점차 감소하는 것으로 나타났다. 또한 높은 연성을 나타내는 재료일 경우 상대적으로 낮은 연성 특성의 재료보다 높은 구속상태를 나타냈다. 얇은 배관에 작용하는 각 하중의 형태(인장, 굽힘, 내압 하중)에 따른 배관의 균열부 구속상태는 서로 유사한 것으로 나타났으며, 시편 설계시 하중의 영향은 고려하지 않아도 되는 것으로 판단된다. 또한 실배관과 휜 광폭평판 Q-응력 비교를 통해 배관과 휜 광폭평판 사이의 균열부 구속상태 유사성을 확인하였다.
본 연구로부터 균열이 존재하는 구조물과 파괴시편의 균열선단의 구속상태 평가를 위한 유한요소해석 절차를 정립하였으며, 본 연구의 해석 결과는 향후 균열이 존재하는 배관 구조물의 균열 거동을 예측하기 위한 파괴 시편 설계에 기여할 것으로 판단된다.

In the present study, the effects of in-plane and out-of-plane constraint conditions on crack-tip constraint of a curved wide plate (CWP) and a pipe with circumferential through-wall crack (TWC) were investigated by using systematic 3-dimensional finite element (FE) analyses. In-plane constraint conditions were considered for crack length , circumferential width, material properties and loading conditions, and out-of-constraint condition was considered for thickness. As for loading conditions, bending moment, axial tension and internal pressure were considered. Q-stress was employed to quantify the crack-tip constraints of CWP specimen and TWC pipe. To characterize the elastic-plastic strain hardening material behavior, Ramberg-Osgood material model was employed.
Based on the present FE works, it was found that crack-tip constraint of a CWP and a pipe with TWC was affected by the effect of crack length, thickness and width of CWP. However the effects of crack length and width are decreased as either thickness becomes thinner or crack length becomes longer. Furthermore, the more ductile material have higher crack-tip constraint than that of low ductile material. For the effect of loading conditions, each Q-stress from thin-walled pipes with TWC under global bending moment, axial tension and internal pressure was similar each other, so that we might not need to consider for the effect of loading conditions to design CWP specimen for measuring fracture toughness of than-walled pipes. Comparing Q-stress of CWP with that of thin-walled pipes, it is obvious that the state of crack-tip constraint between a CWP and a pipe becomes similar as width and crack length of CWP increase.
The results of Q-stress of CWP and actual pipe provided in the present FE works can be used to design a non-standard specimen, CWP, to accurately predict a fracture toughness of actual pipe by comparing the present Q-stress of pipes with that of specimen.

#Q-stress #Constraint #Fracture mechanics #Pipe #Finite element analysis

I. 서 론 1
1.연구의 배경 및 필요성 1
2.연구의 목적 및 내용 2
3.논문의 구성 2
II. 관련 이론 4
1. 균열선단 응력장 4
2. 구속상태 매개변수 6
III. 휜 광폭평판의 구속상태 분석 12
1.해석 대상 및 유한요소해석 12
2.휜 광폭평판의 면내 구속상태에 따른 구속상태 특성 선도 20
3.휜 광폭평판의 면외 구속상태에 따른 구속상태 특성 선도 34
IV. 실배관의 구속상태 분석 37
1.해석 대상 및 유한요소해석 37
2.실배관의 면내 구속상태에 따른 구속상태 특성 선도 42
3.실배관의 면외 구속상태에 따른 구속상태 특성 선도 58
4.휜 광폭평판과 실배관의 구속상태 비교 62
V. 결 론 65
참고문헌 67
영문초록(Abstract) 69

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