원호형 균열의 응력확대계수 계산을 위한 다차 응력 조건의 영향계수 제시 :Influence Coefficients under High-Order Polynomial Stress Distributions for Stress Intensity Factors of Circular-Arc Cracks

강주연

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자료유형: 학위논문

저자정보: 강주연 (서울과학기술대학교, 서울과학기술대학교 대학원)

지도교수: 허남수

발행연도: 2020

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2020

원호형 균열의 응력확대계수 계산을 위한 다차 응력 조건의 영향계수 제시

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본 연구에서는 원호형 균열(circular-arc crack)의 응력확대계수(Stress Intensity Factor, SIF) 계산을 위한 다차 응력 조건의 영향계수(influence coefficient)를 제시하였다.
원자로 압력 용기(reactor pressure vessel)와 노즐 사이 용접부나 노심 슈라우드 집합체(core shroud assembly) 내 작업구와 덮개(Access Hole Cover, AHC) 사이 용접부에서 원호형 균열이 발생하고 있다. 균열이 존재하는 구조물이 탄성적으로 거동하는 경우 건전성을 평가하기 위해서는 파괴역학 매개변수(fracture mechanics parameter)인 응력확대계수가 필요하다. 이에 따라 사용적합성(Fitness-For-Service, FFS) 평가를 위한 기술기준에는 다양한 형상의 균열에 대해서 균열 깊이 또는 구조물 두께에 걸친 다항식 형태의 응력분포(stress distribution) 적합 결과와 균열 형상의 함수 혹은 표로 주어진 영향계수를 이용한 응력확대계수 계산법을 제공하고 있다. 그러나 이는 평면형 균열(in-plane crack)에 대해 한정되어 있기 때문에 원호형 균열은 실제 현장에서 평면형 균열로 대체되어 평가된다. 균열 구조물의 정확한 건전성 평가를 위해서는 원호형 균열의 응력확대계수가 필요하며 복잡한 균열해석(crack analysis) 없이 응력확대계수 해를 계산할 수 있도록 다양한 응력 조건에서의 영향계수 개발이 필요하다.
본 논문에서는 원호형 관통균열(through-wall crack) 및 표면균열(surface crack)의 응력확대계수 계산을 위한 영향계수를 제시하기 위해 다차 응력 조건에서 3차원 탄성 유한요소해석을 수행하였다. 다양한 기하학적 형상에 대한 체계적인 검토를 위하여 균열의 곡률반경, 균열 길이, 표면균열의 깊이를 형상 변수로 고려하였다. 하중조건으로는 평판 두께 또는 균열 깊이 방향으로 0차부터 4차식 형태의 압력분포를 균열면에 작용하였다. 또한 평면형 균열의 응력확대계수 해를 이용한 기존 원호형 균열 평가법의 타당성 및 보수성을 검토하기 위해 원호형 균열과 평면형 균열의 응력확대계수를 비교하였다.
본 연구로부터 평판에 존재하는 원호형 관통균열 및 표면균열의 응력확대계수와 영향계수를 계산하기 위한 유한요소해석 절차 및 방법을 정립하였으며, 본 연구의 결과물들은 향후 균열이 존재하는 원호형 용접부에 대한 건전성 평가에 크게 기여할 것으로 판단된다.

In this study, influence coefficients under high-order polynomial stress distribution for stress intensity factors of circular-arc cracks were investigated.
Circular-arc cracks have been occurring in nozzle to reactor pressure vessel weld and weld between core shroud assembly and access hole cover (AHC). For cracked structures that behave elastically, stress intensity factor (SIF), one of fracture mechanics parameters is required in order to assess the integrity of the structures. Accordingly, technical standards for evaluation of fitness-for-service (FFS) provide a stress intensity factor calculation method for cracks in various shape using results of fitting polynomial stress distribution over crack depth or structure thickness and influence coefficients which are suggested in tables or functions of crack shape. However, since the method is limited to in-plane cracks, circular-arc cracks are evaluated by being represented as in-plane cracks in field. Accurate evaluation of the integrity of cracked structures requires stress intensity factor solutions of circular-arc cracks, along with development of influence coefficients under high-order polynomial stress distribution to calculate the stress intensity factor solutions without complex crack analysis.
In this paper, three-dimensional elastic finite element analyses were performed under high-order polynomial stress distribution to present influence coefficients for stress intensity factors of circular-arc through-wall cracks and surface cracks. For investigation into the effects of geometric variables, radius of curvature of the cracks, crack length and depth of the surface cracks were systematically varied. As for loading conditions, pressure distributions of the 0 to 4th-order polynomial in the direction of plate thickness or crack depth are applied on the crack face. In addition, stress intensity factors of circular-arc cracks and in-plane cracks were compared to examine feasibility and conservatism of the existing evaluation method for circular-arc crack using stress intensity factor solutions of in-plane cracks.
From this study, the finite element analysis procedure and method to calculate stress intensity factors and influence coefficients of circular-arc through cracks and surface cracks in plates were established. The results of the present study can contribute to integrity assessment for circular-arc weld with cracks

요약 ⅰ
표목차 ⅲ
그림목차 ⅳ
기호설명 ⅵ
I. 서 론 1
1. 연구 배경 1
2. 관련 연구 현황 4
3. 연구 목적 및 내용 6
4. 논문의 구성 8
II. 관련 이론 9
1. 응력확대계수 9
2. 영향계수 12
III. 해석 대상 및 유한요소해석 방법 16
1. 해석 대상 16
2. 유한요소해석 18
3. 유한요소해석 방법 및 모델 검증 21
IV. 다차 응력 조건의 원호형 균열 응력확대계수 및 영향계수 26
1. 원호형 관통균열의 응력확대계수 및 영향계수 26
2. 원호형 표면균열의 응력확대계수 및 영향계수 34
3. 탄성 J-적분을 이용한 등가 응력확대계수와의 비교 55
4. 평면형 균열의 응력확대계수를 이용한 원호형 균열 평가법의 타당성 58
V. 결 론 65
참고문헌 67
영문초록(Abstract) 70

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