피로 실험 (Fatigue Test)

소개글

피로 실험 (Fatigue Test)에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. 실험 목적
2. 이론적 배경
　2.1 피로(Fatigue) 및 피로시험(Fatigue Test)
　2.2 피로 파괴(Fatigue Failure)
　2.3 피로 시험의 종류
　2.4 피로강도의 인자
　2.5 피로 수명에 영향을 미치는 요인
　2.6 반복 하중에 대한 평균 응력 해석 방법
　2.7 평균 응력 공식 (Mean Stress Equations)
　2.8 Palmgren-Miner Linear Damage Rule (＝Miner Rule)
　2.9 피로 설계의 기준
　2.10 피로의 거시적인 접근
　2.11 Fatigue Analysis Method
3. 실험 장비
　3.1 Universal Testing Machine (UTM)
　3.2 Strain Measurement System
4. 실험 방법
5. 실험 결과 및 분석
　5.1 Time(s)-Strain(mm) 그래프를 통한 Cycle(N)-Strain(mm) 그래프의 도출
　5.2 Reference Strain Range(Initial Strain)
　5.3 Crack Initiation Life ()
　5.4 Fatigue Life ()
　5.5 S-N Curve Plot
　5.6 DNV CN 30.7의 2.4.3을 참고하여 S-N curve의 및 값 구하기
　5.7 Example
6. 고찰
7. 참고 문헌

본문내용

5
9375.467836
Ni값을 추정하기 위한 선형 추세선
추세선의 방정식은 이다. 이 때 를 대입하면 이 나오며 이 값이 곧 이다.
5.4 Fatigue Life ()
Fatigue Life란 데이터 후반부에서 Strain의 변화가 사라지는 지점에서의 Cycle을 의미한다.
그래프의 후반부를 확대한 후 Probe기능을 이용하여 를 구한다.
Cycle-Strain 그래프의 후반부를 확대
Fatigue Life () 값 구하기
5.5 S-N Curve Plot
Test No.
Nominal Stress
[MPa]
Max. Stress
[MPa]
min. Stress
[MPa]
Mean Stress
[MPa]
Section Area
[mm2]
Load
Ratio
Max. Load
[kN]
Ni
Nf
1
150
150
0
6.072359
960
0
144.0
246012
670045
2
120
120
0
9.10855
960
115.2
514169
1275825
3
100
100
0
12.7520675
960
96.0
1048470
2497555
4
300
300
0
12.7521
960
288.0
2412.88
39474
위의 표를 바탕으로 S-N Curve를 그릴 수 있다.방법은 다음과 같다.
(1) 를 x값으로 취하고 Nominal Stress를 y값으로 취하는 데이터를 S-N 선도 상에 Plot시킨다.
(2) 두 번째로 를 x값으로 하고 Nominal Stress를 y값으로 취하는 데이터를 Plot시킨다.
(3) x축, y축 값들에 대해 Log Scale을 사용하여 나타낸다.
(4) Plot 시킨 데이터들을 각각 Power Fit을 통해 Fitting 시켜 , 에 대한 S-N Curve를 얻는다.
, 에 대한 S-N Curve
5.6 DNV CN 30.7의 2.4.3을 참고하여 S-N curve의 및 값 구하기
DNV CN 2.4.3의 S-N Curve관련 식
(1) , 가 각각 , 인 두 점을 선정한다.
(2) S-N Curve에서 , 각각에 대해서 N이 , 일 때의 Stress Range()를 구한다.
(3) 위 식의 N, 에 대입하여 의 방정식 2개, 의 방정식 2개를 얻는다.
(4) 방정식을 연립하여 풀어 , 각각에 대한 및 를 구하고 이론값과 비교한다.
일 때 Strain Range 구하기
일 때 Strain Range 구하기
ⅰ. 에 대한 방정식
,
ⅱ. 에 대한 방정식
,
ⅲ. 이론 값
DNV CN 30.7의 2.4.3 Table 2-1
이번 실험에서는 용접시편(Welded joint)을 사용하였고, 이므로 결과 값은 다음과 같다.
ⅳ. 결과 값 정리
이론 값
17.688
14.024
12.164
5.754
3.798
3.0
5.7 Example
Q) 어떤 구조 부재가 의 반복하중을 받고 있고, 이 재료의
이다. Gerber\'s equation을 이용하여 이 구조 부재의 수명을 예측하라.
A) ,
Gerber\'s equation을 적용하면 다음과 같다.
(는 주어진 응력상태에서 얻어진 수명에 대응하는 fully reversed stress level이다.)
Haigh Diagram을 , Cycle에 대해서 그려보면, 주어진 응력상태를 나타내는 Point는 두 직선의 아래에 놓이게 되므로 이 부재는 무한 수명을 가진다는 것을 알 수 있다.
Haigh Diagram
Haigh Diagram을 확대한 모습
아래와 같이 S-N 커브를 그려보면 부재의 파단수명이 무한함을 알 수 있다.
S-N Curve
6. 고찰
실험 이전에는 통상 구조체가 파괴가 일어나면 어떤 강한 충격을 받아 이 구조체가 이 충격을 이기지 못하였기 때문이라고만 생각을 하였다. 하지만 피로 시험을 통해서 새로운 사실을 알게 되었다. 먼저 사람이 피로가 쌓이면 몸이 무너지는 것과 마찬가지로 구조체도 무너지는 원리와 같다. 피로시험에도 종류가 여러 가지가 있지만 우리가 이번 실험에서 가정한 것은 바로 반복인장실험이다. 즉, 이 실험은 탄성 범위 내에서 시편에 일정한 하중을 가하여 인장을 시켰다가 다시 가한 힘을 회수하였다 하는 식의 교번하중을 가하는 것이다. 위의 실험값에도 보다시피 그래프가 상하로 진동하게 되는 형상을 띄는 이유가 바로 이것이다. 그리고 LCF 와 HCF와 같이 허용응력을 기준으로 큰 하중을 가했는지 또는 작은 하중을 가했는지에 따라서 Lift Cycle이 달라짐을 알 수 있다. 쉽게 알아볼 수 있는 것이 바로 결과에서 도출한 S-N선도를 보면 된다. SN 선도에서 Stress 값이 작아질수록 결국 Number of cycle 값이 커지고 있음을 알 수 있다. 따라서 구조 체를 만들 때 주위의 환경에 맞게 이 구조 체에 작용 예상되는 하중에 대해서 예측을 하고 거기에 따른 Life Cycle을 예측할 수 있을 것이다. Life Cycle을 예측함으로써 앞으로 일어날 파괴를 예상하고 거기에 따른 보완책과 사고를 사전에 예방할 수 있는 중요한 데이터 자료가 될 것이다.
7. 참고문헌
(1) 임상전 저, “재료역학”, 문운당, 2005
⇒ 실험의 이론적 배경을 찾을 수 있었습니다.
(2) 김재근 저, “재료시험법”, 원창출판사, 2009
⇒ 여러 가지 재료시험 법에 대해 알 수 있었고, 실험의 이론적 배경 작성에 도움이 되었습니다.
(3) 김경수, 정준모 저, “선박구조설계 강의노트”, 인하대학교, 2010
⇒ 저번학기 수강했던 선박구조설계에서 배운 피로와 파괴에 대해서 찾아보며 실험의 목적을 이해하는데 큰 도움이 되었습니다. S-N 커브에 대한 내용을 정확히 이해할 수 있었습니다.
(4) DNV Classification Note 30.7의 2.4.3, 2008
⇒ 실험결과를 통해 도시한 S-N Curve에 대해 값과 값을 구하기 위해 사용했습니다.
(5) 배를 짓는 사람들, http://www.bz4.kr
⇒ 모르는 구조 용어나 조선 관련 용어를 찾고, 이론적 배경 작성을 위해 참조하였습니다.
(6) 구글 검색, http://www.google.co.kr
⇒ 이해하지 못했던 내용을 폭넓게 검색하며 실험에 대한 전반적인 이해도를 높일 수 있었습니다.

키워드

피로,   Fatigue,   반복 하중,   UTM,   Crack Initiation Life,   Fatigue Life,   S-N Curve,   응력,   피로 실험,   피로강도