이번 강의에서는 'Crack Layer 이론을 이용한 저속균열진전모델링 및 수명평가'에 대해 소개합니다. 대표적인 금속소재 스틸, 알류미늄의 피로해석은 이론적으로는 각각 다르지만, 클래식한 해석 이론을 겹쳐 쓰면 대부분 해결이 가능합니다. 하지만 비철재료나 고분자 소재 등 현업에서 사용되는 소재에 따라 현업에서는 해결이 되지 않는 경우가 비일비재합니다. 이러한 경우에 해석적으로 어떻게 접근할 것 인지에 대해 자세히 알아보겠습니다
본 세미나에서 다룰 내용은 파괴역학에 포함되지 않는 특이한 파괴역학입니다. 생소하실 수 있는 Crack Layer 이론을 기반으로 수명평가에 접목시켜, 통계적인 접근을 하고자 합니다. 어떤 소재이든 딱 떨어지는 수명은 없기 때문에, 수명평가 시에는 통계적인 접근이 중요하므로 이에 대한 방법론적인 설명을 드리겠습니다.
<CONTENTS>
1. Introduction
2. Stochastic Lifetime Predictions
3. Slow Crack Growth modeling from an randomly located internal crack
4. Probabilistic Discontinuous SCG and Lifetime Distribution from Arbitrarily Located Cracks
5. Conclusions
✔️Importance of Lifetime Prediction
수명 평가는 실제로 현업에서 다양하게 활용되고 있습니다. 특히 제품보증이나 수명에 대해 이야기 할 때 사용되고, 소비자 만족도와 회사의 원가절감 사이에서 균형을 잡아야 하는데 이때 가장 쉽게 접근할 수 있는 것이 수명평가 입니다.
하지만 제품의 수명은 일어나지 않은 미래의 상황에 해당하고 과거에 걸어오지 않은 길에 만약이라는 가정을 붙여서 어떻게 됐을까라고 과거를 예측해 문제 푸는 것은 더 힘든 일입니다. 실제로 미래 예측을 위한 실험적 검증, 기존 데이터 기반 모델링을 통해 내삽적으로는 주어진 범위 내에서 예측이 가능하지만, 실험적에서 주어지지 않는 바뀌는 내용의 외삽을 기존 데이터만으로 검증하고 예측하는 것은 어렵고 틀리는 경우가 많습니다.
✔️Failure Mechanisms of Thermoplastic Pipes
대표적으로 파이프를 예시로 보겠습니다. 최근에는 수도관이나, 저압 배관에 대부분 고분자 파이프를 많이 사용하는데, 고분자 파이프는 수명 예측이 매우 어렵습니다. 기존 이론으로 적용 시 해석이 잘 되지 않습니다. 가장 큰 이유는 고분자 파이프에 주어지는 내압 수준에 따라 연성파괴, 취성파괴, 환경파괴로 나뉘는데 파괴 진행에 따라 기구가 계속 변해 연성파괴에 대한 데이터를 하나 추출한다고 해서 장수명 데이터를 예측할 수 없기 때문입니다.
이를 해결하기 위해서는 소재의 파손 기구를 이해하고, 기구에 맞는 적절한 파괴역학 또는 피로해석으로 수명을 예측해야 합니다. 최근에는 NFX 와 같은 상용 구조 해석 프로그램을 활용하면 연성파괴 해석은 손쉽게 가능해졌지만, 취성파괴는 단순히 해석결과로 예측하기가 어렵고 이론과 함께 접근이 필요합니다.
✔️Stages of Brittle Fracture
취성파괴는 Crack initiation, Slow crack growth, Fast fracture 3개의 스테이지로 나누어집니다. 수명평가시 3개의 스테이지 중 Fast fracture는 수명에 미치는 영향이 1% 미만이기 때문에 통상적으로 무시하고 있습니다. 남은 2개의 스테이지 중에 앞 단계인 Crack initiation을 이상적인 상태의 해석에서 예측하는 것은 쉽지 않기 때문에 상대적으로 쉬운 Slow crack growth를 중점적으로 해석과 이론을 혼합해 보다 정확한 피로수명 예측에 사용합니다.
✔️Various Slow Crack Growth Characteristics
파괴역학을 공부하신 분들은 보통 균열을 먼저 생각 하지만 균열을 탄성범주로 균열을 풀어내는 경우 CAE 통한 클래식한 평가에 해당하고, 거기에 소성문제를 덧붙여서 보다 정확하게 크랙에 대한 문제를 풀기도 합니다. 고분자 소재는 포함하고 있는 형상의 소재마다 다른 특징을 가집니다. 균열이 진전되는 형태가 다르고 둘레를 가진 특정 영역으로 표현되며, 이것을 데미지라고 합니다.
클래식한 평가에서는 이러한 데미지를 다루지 않지만 고분자 재료와 같이 데미지의 영향이 큰 경우에는 균열 진전에 매우 중요한 요인으로 작용합니다. 데미지 영역을 Process Zone 으로 표기하며 균열에 어느정도 영향으로 주는가에 대해 기존 클래식한 방식과 연계하여 평가가 필요합니다.
사진에 보시면 소재마다 다른 데미지영역을 확인할 수 있습니다. 폴리스티렌에 보이는 것은 Crazing(내부균열)이라는 것이 주 매커니즘이고, 폴리카보네이트에 보이는 것은 Crazing(내부균열)과 Shearing(전단균열) 이 동시에 일어나 있는 현상입니다. 사실은 스틸도 마찬가지입니다. 엄밀히 분석하려면 작기는 하지만 데미지를 같이 고려해야만 합니다. 데미지에 대해 이해하지 못하면 문제를 정확하게 풀 수 없으며, 관련해서 이번 강의에서 주로 다룰 예정입니다.
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