변형률 속도를 고려한 유한요소 기반 연성 찢김 해석 기법 개발

Abstract

This paper proposes ductile failure simulation under high strain rate conditions using finite element (FE) analyses. In order to simulate a cracked component under a high strain rate condition, this paper applies the stressmodified fracture strain model combined with the Johnson/Cook model. The stress-modified fracture strain model determines the incremental damage in terms of stress triaxiality (σm/σe) and fracture strain (ef) for a dimple fracture using the tensile test results. To validate the stress-modified fracture strain model under dynamic loading conditions, the parameters are calibrated using the tensile test results under various strain rates and the fracture toughness test results under quasi-static conditions. The calibrated damage model predicts the CT test results under a high strain rate. The simulated results were then compared with the experimental data. † Corresponding Author, kimy0308@korea.ac.kr C 2016 The Korean Society of Mechanical Engineers 남현석 · 김지수 · 김진원 · 김윤재 168 하중도 실험속도에 따라 다른 경향을 보인다고 보고되었다. 하지만 현재 적용되고 있는 지진하중 조건의 배관 건전성 평가 절차를 보면, 선형탄성해석을 통해 배관에 작용되는 지진하중의 크기를 계산하고 정적 하중 조건에서 실험된 재료 물성치를 이용하여 결함 안정성을 평가한다. 그러나 지진하중 조건에서 실제 배관에 작용하는 하중은 동적이고 반복적인 특징을 가지고 있다. 따라서 지진 하중 조건에서 배관 계통에 대한 건전성 평가를 수행하기 위해서 다양한 실험속도에 따른 재료 물성치 및 파손 거동 모사에 대한 연구가 요구되고 있다. 그러나 다양한 실험속도에 따른 재료에 대한 물성 실험을 수행하기 위해서는 많은 비용 및 시간과 노력이 요구 된다. 이러한 실기실험의 대안으로서 유한요소 손상해석을 이용한 가상 실험법은 하중과 시편 형상에 변경이 용이하고 경제적으로도 효율적이다. 이러한 이유로 본 논문에서는 다양한 실험 속도의 인장 물성 및 정적 하중조건에서의 파괴인성 실험결과를 이용하여 동적 하중조건이 작용하는 구조물의 파괴거동을 예측할 수 있는 파손 모델에 대한 연구를 수행 하였으며 이와 같은 기법을 토대로 미국 바텔 연구소(Battelle Memorial Institute)에서 수행한 동적 하중이 작용하는 파괴인성 시편(CT 시편) 실험결과를 모사하고 해석을 통한 예측 결과와 실험결과를 비교하여 변형률 속도에 따른 연성파손 해석기법의 신뢰성을 검증하였다.