피로 수명 SN 커브 #3(Gradient Stress, Fatigue Life, S-N Curve, 선도, 예측, 곡선)

 

목차

 

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SN 그래프 응력 고려 사항

 

SN 그래프는 재료의 피로 수명을 예측하는 데 사용되는 도구로, 재료가 특정 응력 수준에서 반복적으로 하중을 받았을 때 견딜 수 있는 사이클 수를 나타냅니다. 이 그래프를 사용하여 재료의 피로 강도를 평가할 때, 여러 수정 요소를 고려해야 합니다. 이러한 요소들은 피로 수명에 영향을 미치며, 재료의 실제 작동 조건을 더 정확히 반영하기 위해 고려됩니다.

 

시편의 크기 효과는 재료의 크기가 증가함에 따라 피로 한계가 감소하는 현상을 나타냅니다. 이는 큰 시편이나 구조물이 더 많은 결함이나 불연속성을 포함할 가능성이 높기 때문에 발생합니다. 이러한 결함은 피로 균열의 시작점이 될 수 있으며, 따라서 더 큰 시편은 작은 시편에 비해 피로 수명이 짧을 수 있습니다.

 

하중의 종류는 피로 수명에 중대한 영향을 미칩니다. 굽힘 하중은 인장 하중이나 뒤틀림 하중에 비해 재료 내부의 스트레스 분포가 다릅니다. 일반적으로, 굽힘 하중을 받는 부품은 동일한 최대 스트레스 수준에서 인장이나 뒤틀림 하중을 받는 부품보다 더 긴 피로 수명을 보일 수 있습니다. 이는 하중 유형에 따라 스트레스 집중과 균열 진행 방식이 달라지기 때문입니다.

 

표면 처리는 재료의 표면 상태를 변경하여 피로 수명을 향상시킬 수 있습니다. 예를 들어, 연마, 코팅, 열처리와 같은 표면 처리 방법은 표면의 결함을 줄이고, 표면 경도를 증가시키며, 내부 응력 상태를 최적화하여 피로 수명을 연장시킵니다. 피로 수명이 길수록 이러한 표면 처리의 효과가 더욱 중요해집니다.

 

온도와 환경은 재료의 피로 거동에도 영향을 미칩니다. 고온 환경은 재료의 강도를 감소시킬 수 있으며, 이는 피로 수명을 단축시킬 수 있습니다. 또한, 부식성 환경은 재료의 표면을 약화시켜 피로 균열의 시작과 진행을 촉진할 수 있습니다. 따라서 실제 작동 조건을 반영하여 적절한 온도 및 환경 조건 하에서 피로 테스트를 수행하는 것이 중요합니다.

 

 

Stress Gradient

 

스트레스 그라디언트는 재료의 한 지점에서 스트레스(즉, 단위 면적당 힘)가 얼마나 빠르게 변하는지를 나타냅니다. 특히, 이 변화는 표면으로부터 내부로 진행될 때 중요합니다.

 

스트레스 그라디언트의 세 가지 처리 방식

• Auto: 자동 모드에서는 스트레스 그라디언트가 있을 경우 (즉, 분석 단계에서 요청된 경우) 스트레스 그라디언트에 대한 수정이 적용됩니다.
• User: 사용자 모드에서는 사용자가 제공하는 파일에 기반한 사용자 정의 스트레스 그라디언트 수정이 적용됩니다. 이를 위해 유효한 파일을 지정해야 합니다.
• Off: 꺼짐 모드에서는 스트레스 그라디언트 수정이 적용되지 않습니다.

 

 

피로 손상과 스트레스 그라디언트

 

 

 

 

재료 내 노치(Notch)와 같은 스트레스 집중 지점에서의 피로 손상은 일반적으로 해당 지점의 로컬 스트레스에 의해 과대 예측됩니다. 이는 노치의 피로 강도 감소 계수(Kf)가 항상 탄성 스트레스 집중 계수(Kt)보다 작다는 것을 의미합니다. Kf와 Kt 사이의 차이는 재료의 특성, 노치의 기하학적 형상 및 크기에 따라 다르며, 이는 통계적/크기 효과, 소성(Plasticity)로 인한 스트레스의 재분배 및 스트레스 그라디언트와 같은 여러 요인에 기인합니다. 특히 고사이클 영역에서는 스트레스 그라디언트가 노치에서 시작된 모든 균열이 성장해야 하는 경로를 통해 아마도 가장 중요한 요소일 것입니다.

FKM 가이드라인 기반 접근 방식
DesignLife/nCodeDT에서는 FKM 가이드라인에 설명된 스트레스 그라디언트 접근 방식을 기반으로 한 대안적 방법이 도입되었습니다. 이 방법은 재료의 피로 강도를 표면 정규 스트레스 그라디언트, 재료의 강도 및 유형에 기반한 계수로 증가시킵니다. FE(유한 요소) 기반 피로 계산의 일반적인 경우, 표면 정규 방향으로 여섯 개의 스트레스 그라디언트(스트레스의 여섯 구성 요소에 해당)가 있으며, 이는 순간마다 변할 수 있습니다. 따라서 피로 강도를 조정하는 대신, 피로 계산 전에 스트레스를 조정합니다.

 

간단히 말해서, 이 방법론은 구조물의 실제 피로 수명을 더 정확하게 예측하기 위해 스트레스 변화율을 고려하여 스트레스를 조정하는 방법에 관한 것입니다. 이는 특히 복잡한 하중과 기하학적 형상을 가진 FE 기반 피로 계산에 적용됩니다.

 

 

 

 

피로 수명 분석 소프트웨어 nCode

Fatigue Life Prediction and Test-CAE Correlation

 

 

 

 

 

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