용접으로 인해 발생하는 잔류 응력은 어떻게 해석할 수 있을까?

2022년 10월 21일

평점 :

기술용어통 전문가 칼럼

본 칼럼은 용접에 따른 온도 분포 및 잔류 응력 해석 절차를 소개하고자 한다. 편의상 맞대기(butt) 형상의 레이저 용접 기법을 대상으로 예제를 통하여 절차를 설명하였다.

목차

 

1. 서론

2. 용접의 3차원 유한요소해석 모델링

2.1 요소 결정 및 용접 선 결정

2.2 열원 모델링

2.3 냉각 조건 모델링

2.4 재료 비선형 특성

2.5 비선형 해석 조건

2.6 결과 분석

3. 맺음말

 

1. 서론

 

용접을 이용한 금속의 접합은 자동차, 조선, 항공, 플랜트 등 다양한 산업 분야에서 사용되는 전통적인 생산 기술의 하나이다. 용접은 열원의 종류 및 보호가스에 따라서 분류된다. 그러나, 통상 용접에 의하여 접합된 부재는 고온의 온도 분포 및 잔류 응력이 발생하며, 이는 피로 강도 등에 많은 영향을 미친다.

 

이 때문에 여전히 용접에 의한 온도 분포 및 잔류 응력 예측은 중요한 의미가 있다. 


맞대기 용접 형상그림 1 : 맞대기 용접 형상

2. 용접의 3차원 유한요소해석 모델링

용접에 따른 온도 분포 및 잔류응력 해석에는 다음과 같은 점들이 반영되어야 한다.

 

• 온도에 따른 재료 특성 반영

• 입열 조건(열원)의 모델링 및 검증 방법

• 열-구조 연성 효과 반영

• 냉각 조건의 모델링 및 검증 방법

• 대변형 조건

• 용융에 따른 상변태 효과


용접 해석을 위한 고려 사항

그림 2 : 용접 해석을 위한 고려 사항

용접 해석을 위한 유한요소해석 절차의 중요한 과정만 정리하면 다음과 같다.

1. 해석을 위한 요소 선정

2. 열전달 재료 특성 정의

3. 변형 재료 특성 정의 (소성 조건 정의 포함)

4. 비선형 수치 해석 기법 정의

5. 수렴 조건 정의

6. 절점 및 요소 모델링
7. 용접 비드에 속한 요소 및 절점 정의

8. 열원 분포, 이동 경로 및 속도 정의

9. 온도 초기 조건 부여

10. 열전달 경계 조건 정의

11. 구조물 구속 조건 정의

12. 평형 방정식 해석 법 선택

13. 결과값 선택

위의 각 주요 절차에 대해서 요약하면 다음과 같다.

2.1 요소 결정 및 용접 선 결정

용접은 열 확산과 변형이 연성된 열-구조 연성 문제이다. 그러나, 일반적으로 온도 분포를 구한 후에 구조 해석을 수행하고, 이를 용접 경로를 진전시키면서 반복하게 된다. 이러한 이유로 열전달 해석을 수행하고 온도 분포에 따른 열응력 문제를 해결하거나, 이 과정을 반영한 요소를 선택한다. 물론 3차원 solid 요소를 사용한다.

용접 비드에 의하여 생성되는 요소에 따른 강성 행렬의 변화는 통상 Activation 또는 Alive라는 기법을 통하여 모델링한다. 이는 요소의 생성 단계별로 강성 행렬을 변화시키는 방법이다.


유한요소해석 모델

그림 3 : 유한요소해석 모델

 

 

용접해석에 대한 정보 미리보기는 여기까지

 

 

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