용접부 피로 내구 해석 프로세스

이번 호에서는 에프이세이프(fe-safe)의 베리티(verity) 모듈을 이용하여 용접부 피로 내구 해석을 진행할 수 있는 프로세스에 대하여 살펴본다.

■ 조영민
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다쏘시스템코리아의 과장으로, 시뮬리아 브랜드의 솔루션 컨설턴트이다. 인하대학교 항공우주공학과 학사/석사를 졸업했으며, 관심분야는 최적화와 인공지능이다.

용접 구조물의 피로강도는 용접부 경계와 같은 기하학적 불연속부의 응력집중에 의해 결정되며, 이때 응력집중은 기하학적 형상에 의한 전체적인 요인 및 용접부 비드 등의 국부적인 요인에 의해 영향을 받는 것으로 알려져 있다. 용접부의 피로 수명 평가를 위하여 용접부 주변의 응력 상태를 통한 균열 시점을 예측하는 다음과 같은 방법들이 대표적이다.

■ 공칭 응력 접근법(Nominal stress Approach, Ex. BS)
■ 핫스폿 응력 접근법(Hotspot stress Approach, Ex. IIW)
■ 구조 응력 접근법(structural stress Approach, Ex. ASME, verity)

공칭 응력 접근법은 용접부 인근의 공칭 응력 값을 이용하여 용접부의 수명을 예측하며, <그림 1>의 핫스폿 응력 접근법의 경우 용접부 토우 경계부 응력을 특정 거리만큼 떨어진 지점에서의 응력 값을 읽어 토우로 외삽한 값으로 산정햐여 수명을 예측한다.

      
그림 1. 용접부 토우 경계 응력 외삽 가정, 외삽 지점 위치에 따른 토우 응력 차이

유한 요소를 통한 앞의 두 가지 방법을 적용할 때 요소의 절점에서 공칭 응력을 이용하기 때문에 <그림 1~2>와 같이 요소의 크기, 형상 및 종류와 같은 요소 품질에 따라서 용접부의 피로 수명이 민감하게 변할 수 있다는 특징을 보인다. 이러한 계산상의 오차를 줄이기 위해 유한 요소를 통한 응력을 얻는 일련의 과정을 표준화하여 시험 또는 해석 기준을 제시하고 있다.(Ex. BS7608, IIW)

 
그림 2. 유한 요소 크기에 따른 용접부 인근에서의 응력 비교