구조 해석 - 피로 수명 해석

개요 

피로 파괴 (fatigue failure) 는 구조물이 반복적인 하중을 받을 때 손상이 누적되어 파괴되는 현상을 말한다. 피로 수명 (fatigue life)는 파괴되기 전까지 반복적인 하중의 회수이다. 피로 수명은 시험으로도 얻어질 수 있으나 해석적으로도 구할 수 있다. 해석의 정확도는 경우에 따라 다르나 수십배의 차이를 가지는 경우도 많아 응력이나 변형율만을 구하는 정적 (강도) 해석에 비해 매우 낮다.

해석 방법 

여러가지 방법이 있으나 피로 해석의 가장 간단한 과정은 주어진 하중에 대한 응력(stress)과 변형율(strain)을 구하는 정적 구조 해석을 수행하고 이 결과 (응력이나 변형율)를 S-N 선도 (응력-수명) 나 E-N (변형율-수명) 선도에 대입하여 수명을 구하는 것이다. 피로 수명은 보통 수명 만회를 기준으로 고주기와 저주기로 나누어지는데 고주기의 경우 S-N 선도를 저주기의 경우는 E-N 선도를 이용하여 수명을 예측하는 것이 일반적이다. S-N 선도란 X축에 수명을, Y축은 응력인 선도로 응력을 알면 수명을 구할 수가 있다. 진동 해석을 통해 진동 가진 시험의 수명을 예측하는 경우도 있다.

배경지식 

수명 해석은 미리 알아야 할 사전 지식도 많이 필요하며 그 이론도 매우 복잡하다. 한 편으로 사실상 구조 해석의 최고 난이도 중의 하나라고 할 수 있다. 대부분 피로 강도론은 대학 학부 과정에서도 잘 없고 대학원 과정에 있다. 최근에는 상용 유한요소 해석 프로그램이 과거에 비해 좋아져서 프로그램 판매사에서 교육을 받고 (최소 두 달 내내 교육을 받아야 할 것 같다), 이론을 잘 모르는 상태에서 해석을 하는 것도 절대로 불가능 한 것은 아니나 어렵다고 봐야 한다.

예제 

랜덤진동에 의한 수명 예측 (외부링크 (영문))

Abaqus 를 이용하여 브라켓의 랜덤 진동 해석을 수행하고 RMS 등가응력을 이용하여 수명을 예측하고 설계 개선을 한 예제.