혼합하중을 받는 선회대 고정볼트의 피로분석에 관한 연구 :A study of fatigue analysis for the turntable fixing bolts subjected to mixed load

최동훈

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자료유형: 학위논문

저자정보: 최동훈 (충남대학교, 忠南大學校大學院)

지도교수: 김재훈

발행연도: 2022

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이용수6

이 논문의 연구 히스토리 (4)

2022

혼합하중을 받는 선회대 고정볼트의 피로분석에 관한 연구

최동훈 기계공학과 2022.01 학위논문

2021

고소작업대 선회대 고정볼트의 하중방향에 따른 피로수명의 영향

최동훈 , 이도남 , 김재훈 대한기계학회 춘추학술대회 2021.11 학술대회자료

2019

고소작업대의 파손된 선회대 고정볼트의 피로파손에 관한 연구

최동훈 , 김재훈 대한기계학회 춘추학술대회 2019.05 학술대회자료

고소작업대의 파손된 고정볼트의 피로분석에 관한 연구

최동훈 , 김재훈 한국안전학회지 2019.01 학술저널

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본 연구에서는 고소작업대 선회대 고정볼트의 파손 원인을 규명하고 피로 파손을 예방하기 위해 고정볼트의 파단면을 육안검사, 재료 분석, 광학현미경 및 주사전자현미경을 사용한 파단면 분석을 하였다. 고소작업대의 설계상의 결함 및 피로 파손의 가능성 여부와 고정볼트에 작용하는 응력의 형태를 분석하기 위해 구조 및 피로해석을 동시에 진행하였다. 또한, 고정볼트에 작용하는 수직과 전단의 혼합 하중에 대한 영향을 확인하기 위해 하중 각도를 변경하여 인장 및 피로 시험을 하여 피로 설계 기준을 도출하였다. 도출된 결과를 혼합 피로 한도 기준과 비교·평가하여 평가 기준을 선정한 후 설계 기준에 반영하기 위한 연구를 수행하였다. 본 연구를 수행하여 얻은 결론은 다음과 같다.

1) 파손된 고정볼트에 대한 화학적 성분 분석, 인장물성 평가 및 광학현미경에 의한 미세구조 등의 분석 결과는 KS B 0233 강도 구분 10.9의 화학적 성분 기준, 항복강도와 인장강도, 표면 탄소 상태를 만족하여 정상적인 제품임을 예측할 수 있다. 그러나 주사전자현미경 분석 결과에 나타난 피로 줄무늬, 딤플 등은 고정볼트의 파손 원인이 피로에 의한 것이다. 파단면의 딤플의 형상이 연신 딤플로 나타나 수직과 전단의 혼합 하중을 받아 파손된 것으로 예측된다.

2) 고소작업대가 안전하게 작업할 수 있는 안전작업범위 내에서 붐의 기복 각도를 변화시켜 고정볼트에 작용하는 응력을 분석하기 위하여 구조 및 피로해석을 수행한 결과는 안전한 응력 상태 및 피로강도를 가짐을 확인하였다. 그리고 선회대의 고정볼트는 수직과 전단의 혼합 하중을 받는 것으로 분석되었다.

3) 파단면 분석과 유한요소해석 결과로부터, 선회대의 고정볼트가 수직과 전단의 혼합 하중을 동시에 받도록 ARCAN 고정장치를 설계 제작하여 피로 시험을 하였다. 다양한 하중 각도에 따른 S-N 선도를 도출하였고, 통계적 처리기법에 따른 파괴확률 1% P-S-N 선도를 작성하였다. 따라서 이들 선도를 모두 만족시키는 안전 영역을 피로의 설계 기준으로 적용하면 고정볼트의 파손을 예방할 수 있다고 판단된다.

4) 하중 각도별 피로 시험 결과와 피로 한도 기준과의 정밀도를 측정하기 위해 산란 지수 값을 구하였다. 그 결과 Gough and Pollard 2의 산란 지수 값이 가장 작아 정밀도가 가장 높다는 것을 확인하였다. 따라서 고소작업대 선회대 고정볼트에 대한 피로 한도 평가는 Gough and Pollard 2 기준을 사용하는 것이 적합하다고 판단된다.

5) 본 연구를 통해 피로 시험 결과를 모두 만족하는 S-N 선도의 안전 영역을 피로 설계 기준으로 적용하고 정밀도가 가장 높은 Gough and Pollard 2 피로 한도 기준으로 평가하여 오차범위 2.5% 이내가 되도록 설계 기준에 반영하면 고소작업대 선회대 고정볼트의 파손에 의한 사고를 예방할 수 있을 것으로 판단된다.

In this study, the fracture surface of the fixing bolt was analyzed using visual inspection, material analysis, optical microscope and a scanning electron microscope in order to identify the cause of failure of the fixing bolt of the turntable of the mobile elevating work platform and to prevent fatigue damage. Structural and fatigue analysis were performed simultaneously to analyze the possibility of design flaws and fatigue failure of the mobile elevating work platform and the type of stress acting on the fixing bolts. In addition, in order to confirm the effect on the mixed load of normal and shear acting on the fixing bolt, the fatigue design criteria were derived by changing the load angle and performed tensile and fatigue tests. After comparing and evaluating the derived results with mixed fatigue limit criteria, the evaluation criteria were selected and then study was conducted to reflect them in the design criteria. The conclusions obtained by conducting this study are as follows.

The chemical composition analysis, tensile properties evaluation, and optical microscopic analysis results of the broken fixing bolts satisfy the chemical composition criteria of KS B 0233 strength category 10.9, yield strength, tensile strength, and surface carbon state. Therefore, it can be predicted that it is a normal product. However, fatigue striations and dimples shown in the results of the scanning electron microscopy are the cause of the failure of the fixing bolts due to fatigue. The shape of the dimples at the fracture surface appears as an elongated dimple, and it is predicted to be damaged by a mixed load of normal and shear

The structure and fatigue analysis were conducted to analyze the stress acting on the fixing bolt by varying the luffing angle of the boom within the safe working range where the mobile elevating work platform can safely work, and the results confirmed that it has a safe stress state and fatigue strength. It was analyzed that the fixing bolts of the turntable were subjected to a mixed load of normal and shear.

Based on the fracture surface analysis and finite element analysis results, the ARCAN fixture was designed and manufactured so that the fixing bolt of the turntable receives a mixed load of normal and shear at the same time, and a fatigue test was conducted. S-N diagrams according to various loading angles were derived, and a 1% P-S-N diagrams of failure probability according to statistical processing techniques was prepared. Therefore, it is judged that failure of the fixing bolt can be prevented by applying the safety area that satisfies all of these diagrams as a design criterion for fatigue.

The scattering index value was calculated to measure the precision between the fatigue test results for each load angle and the fatigue limit standard. As a result, it was confirmed that Gough and Pollard 2 had the smallest scattering index value and thus the highest precision. Therefore, it is judged that it is appropriate to use the Gough and Pollard 2 criteria for the fatigue limit evaluation for the turntable fixing bolts of the mobile elevating work platform.

Through this study, if the safety region of the S-N diagram that satisfies all fatigue test results is applied as a fatigue design criterion, evaluated by the Gough and Pollard 2 fatigue limit criterion with the highest precision, and reflected in the design criterion so that the error range is within 2.5%, high it is judged to be able to prevent accidents caused by damage to the fixing bolts of the turntable of the mobile elevating work platform.

#ARCAN fixture #Fatigue test #Mobile elevating work platform #Reliability assessment #S-N curve #Mixed load

Ⅰ. 서 론 1
1. 연구의 필요성 1
2. 연구 동향 7
3. 연구 목적 및 내용 12
Ⅱ. 이론적 배경 14
1. 피로 파손 14
가. 고주기 피로 14
나. 저주기 피로 15
2. 피로 강도 16
3. S-N 선도 18
4. 통계적 기법에 따른 P-S-N 선도 20
5. 혼합 사이클 하중하의 응력상태 22
6. 혼합 피로수명 기준 24
가. Gough and Pollard 기준 24
나. Findley 기준 28
다. Golos 기준 29
Ⅲ. 조사방법 및 결과 31
1. 육안검사 34
2. 화학적 성분 분석 36
3. 인장물성평가 37
4. 미세구조 검사 38
5. 주사전자현미경 검사 39
6. 조사결과에 대한 고찰 41
Ⅳ. 유한요소해석 및 결과 42
1. 고소작업대 모델링 42
2. 볼트 체결부 유한요소 모델링 선정 45
3. Mesh 50
4. 경계조건 53
5. 구조해석 결과 58
6. 피로해석 결과 65
7. 해석결과에 대한 고찰 68
Ⅴ. 재료 및 시험방법 70
1. 시험재료 70
2. 시험장치 및 구성 73
3. 시험방법 77
Ⅵ. 시험 결과 및 고찰 80
1. 인장시험결과 80
2. 피로시험결과 86
3. 피로시험 결과의 통계적 처리 93
4. 피로시험결과에 의한 설계기준 도출 100
5. 피로 파단면 관찰 103
6. 피로 시험 결과의 축과 전단 방향 피로 강도 109
7. 혼합 피로 기준의 분석 및 비교 115
8. 산란 지수 평가 118
Ⅶ. 결론 122
참고문헌 124
Abstract* 136

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