Ansys nCode DesignLife에서 용접부 수명을 확인해보자

 

일반적인 구조해석에서는 보통 용접부를 상세하게 모델링하지 않고 부품 간에 단순 결합 상태로 응력을 평가하는 경우가 많다. 여기서 단순 결합 상태라는 것은 두 부품 사이에 접하는 면을 공유하게 하거나, 완전 접착(Bonded contact) 조건으로 해석하는 것을 뜻한다. 강도 측면에서 보면 용접부가 기본 모재보다 강한 편이기도 하고 용접부를 상세하게 모델링 하지 않으면 해석 수행 시간을 크게 단축시킬 수 있기 때문에 단순 결합 상태로 해석하는 경우가 많다. 그러나 국부적인 영역의 영향력이 시스템 전체의 안전성을 크게 좌우하는 경우에는 반드시 용접부를 모델링하여 상세 평가를 수행해야 한다. 용접부는 크게 심용접(Seam Weld) 또는 점용접(Spot Weld)으로 구분되며, 이번 호에서는 Ansys nCode DesignLife^TM로 심용접부를 평가하는 방법에 대해 정리하였다.

 

용접부의 종류 및 평가 위치

심용접(Seam Weld)은 [그림 1]과 같이 판 구조물의 용접부를 뜻하는데 판의 접합 상태에 따라 필렛 용접(Fillet weld) 또는 겹치기 용접(Overlap weld)로 세분화된다.

< Fillet weld >

 

< Overlap weld >

[그림 1] “Seam weld” 용접부 종류

 

세분화된 용접부의 종류에 따라 용접 비드(Bead), 토우(Toe), 루트(Root)의 위치가 다르게 정의된다. nCode DesignLife로 해석을 수행하게 되면 보통 토우(Toe)와 루트(Root) 영역만 피로 평가의 대상이 된다.

 

[그림 2] 용접부 평가 위치 구분

용접부는 [그림 2]와 같이 영역을 크게 3개의 위치로 구분한다. Type A와 Type C는 판재의 두께 효과 및 굽힘 영향력 확인이 필요하고, Type B는 두께 효과의 영향력을 고려하지 않는다.

• Type A - 모서리 돌림 용접부 모재 용접단
• Type B - 모서리 돌림 용접부 부착판 용접단
• Type C - 모재판과 부착판의 용접단

용접부의 평가 위치에 따라서 피로 해석 접근 방법이 달라지기 때문에 사용자가 직접 영역을 구분하는 것을 추천한다.

 

핫스팟 응력(Hot Spot Stress) 평가

용접부는 비드(Bead)의 형상이나 토우(Toe), 루트(Root) 등의 기하학적 불연속 영역에서 응력이 집중되는 응력 특이해(Stress Singularity) 문제가 발생하기 쉽다. 이러한 응력 특이해 문제를 해결하기 위한 방법들이 다음과 같다.

• 공칭 응력(Nominal Stress) 평가 방법
• 유효 노치 응력(Effective Notch Stress) 평가 방법
• 핫스팟 응력(Hot Spot Stress) 평가 방법

 

공칭 응력을 평가하는 방법은 부재의 단면적 및 하중만을 고려하여 단순하게 평가하는 방법이다. 평가가 매우 간단하지만 복잡한 조인트 영역 분석이 어려운 단점이 있다.

유효 노치 응력을 평가하는 방법은 직접 용접부를 상세 모델링하고 용접부 끝단에 노치 반경(Radius)를 적용하여 매우 조밀한 격자를 적용한 국부적인 상세 평가 해석을 수행한다. 상세 평가가 가능한 장점이 있지만 용접부 모델링 및 해석 수행에 많은 시간이 소요되는 단점이 있다.

용접부 평가에 가장 많이 사용되는 것이 핫스팟 응력(Hot spot stress)을 평가하는 방법이다. 용접부 평가에 노치 응력을 사용하지 않고 핫스팟 응력을 사용하게 된다. [그림 3]과 같이 “표면 응력 평가 방법” 또는 “두께 방향 응력 평가 방법”으로 핫스팟 응력을 사용한다.

[그림 3] 핫스팟 응력(Hot Spot Stress) 평가 방법

 

표면 응력 평가 방법 (Surface stress extrapolation, SSE)

“표면 응력 평가 방법”은 용접부 비드(Bead)에서 특정 거리만큼 떨어진 표면의 응력 결과를 2개(1차 외삽) 또는 3개(2차 외삽)를 추출하여 핫스팟 응력을 계산하게 된다. 표면에 발생하는 응력으로만 평가되기 때문에 판재의 굽힘 효과가 큰 경우에는 추천하지 않는다.

주로 모서리 용접 평가에 추천되며 용접부 Type A, B 위치를 평가하기에 적합하다. [그림 4]와 같이 격자 조밀도 및 추출 결과 수에 따라 핫스팟 응력을 계산하는 방정식이 달라진다.

 

[그림 4] 표면 응력 추출 위치

 

두께 방향 응력 평가 방법 (Through-thickness integration, TTI)

“두께 방향 응력 평가 방법”은 Membrane/Bending 응력을 평가하여 핫스팟 응력을 계산한다. 판재의 굽힘 효과와 두께 효과를 고려할 수 있는 장점이 있으나 용접부 Type B에는 적용할 수 없다.

굽힘 효과는 [그림 5]와 같이 보통 굽힘비(Bending Ratio)를 계산하여 SN 커브를 보정하여 적용한다.

< 굽힘비 계산 >

< 굽힘비에 따른 SN 커브 >

[그림 5] 굽힘 효과를 반영한 용접부 평가

 

Flexible(Bending) SN 커브와 Stiff(Membrane) SN 커브 사이를 보간하며, 굽힘이 없는 순수 Stiff 상태가 더욱 수명이 취약하게 적용된다.

용접부의 두께 효과는 판재의 두께가 기준 두께보다 큰 경우에만 (T_ref < t) 수명 평가에 사용되는 응력을 보정하여 강도 감소 효과를 준다.

이처럼 용접부 평가 위치에 따라서 핫스팟 응력을 평가할 수 있는 방법이 달라지게 되는데, 보통 Type A, C는 “두께 방향 응력 평가법”을 사용하고 Type A, B는 “표면 응력 평가법”을 사용한다.

 

용접부 피로 평가 시스템

Ansys nCode DesignLife는 [그림 6]과 같이 구조 해석 시스템과 동일하게 원하는 시스템을 Workbench 창에서 추가하여 사용하거나 nCode DesignLife 내에서 원하는 Solver로 직접 교체 또는 추가하여 사용할 수 있다.

 

[그림 6] 용접부 피로 시스템 및 Glyph 선택 창

표면 응력 평가 방법의 경우에는 “nCode SN Constant” 또는 “nCode SN Time Series” 시스템을 사용하고, 두께 방향 응력 평가 방법의 경우에는 사용 요소에 따라 “nCode Weld Shell Seam” 또는 “nCode Weld Solid Seam” 시스템을 사용한다. 평가는 응력 수명 평가(SN, Stress-Life)로만 해석 수행이 가능하며 두께 방향 응력 평가 방법에서만 진동 피로 평가가 가능하다.

 

용접부 정보 파일(위치 및 방향 정보)

[그림 7]과 같이 핫스팟을 계산하기 위해서는 용접부 요소의 위치 및 방향성 정보를 필요로 한다. 보통 두께 방향 응력 평가 방법을 사용하는 시스템은 이 파일을 자동으로 생성하지만, 표면 응력 평가 방법을 사용하는 시스템은 사용자가 직접 수동으로 텍스트 파일을 작성해야 한다.

두 평가 방법에 사용되는 용접부 정보 파일의 형식이 동일하기 때문에 먼저 두께 방향 응력 평가 방법으로  간단히 해석을 수행한 후, 자동 생성되는 용접부 정보 파일을 편집하여 사용하면 편리하다. 

< 용접 방향 벡터 정의 >

< 벡터 정의 파일 형식 >

[그림 7] 용접부 정의 파일

 

해석옵션1 - 표면 응력 평가 방법

표면 응력 평가 방법은 Solver Glyph의 Advanced 옵션 창에서 FE Result “Entity Type”을 “WeldHotSpot”으로 정의하여 사용할 수 있다. 

[그림 8] 표면 응력 평가 방법 옵션 창

 [그림 8]과 같이 Solid 또는 Shell을 모두 평가할 수 있으며, 격자 조밀도 및 응력 추출 개수를 지정하면 해석을 수행할 수 있다.

 

해석옵션2 – 두께 방향 응력 평가 방법(SOLID)

두께 방향 응력 평가 방법은 해석에 사용한 요소에 따라서 시스템이 구분된다. Solid 요소를 사용하는 경우에는 Solver Glyph의 Advanced 옵션 창에서 FE Result “Entity Type”을 “SeamWeld”와 “Stress”로 정의하여 사용할 수 있다. 최대 판재 두께 및 두께 방향 레이어 개수를 설정하여 해석 수행이 가능하다.

 

[그림 9] Solid 요소의 두께 방향 응력 평가 방법 옵션 창

 

해석옵션3 – 두께 방향 응력 평가 방법(SHELL)

Shell 요소를 사용하는 경우에는 Solver Glyph의 Advanced 옵션 창에서 FE Result “Entity Type”을 Solid 요소와 동일하게 “SeamWeld”로 정의한다.

 

[그림 10] Shell 요소의 두께 방향 응력 평가 방법 옵션 창

Solid 요소 사용 옵션과는 다르게 “Entity Data Type” 지정이 중요한데, Shell 요소의 Membrane/Bending 응력을 계산하는 방법을 선택할 수 있다.

Membrane/Bending 응력을 Shell의 절점에서 직접 Top/Bottom stress로 계산하거나, 요소에서 계산되는 Force/moment 또는 Displacement를 사용하여 계산할 수 있다.

 

용접부 피로 평가 결과

Ansys nCode DesignLife에서 용접부 피로 평가를 수행하면 용접부의 토우(Toe)와 루트(Root)에 피로 수명 결과가 나타난다. [그림 11]과 같이 피로 해석 결과는 해당 요소에 색상으로 나타나거나, Marker(표시선)의 색상 및 길이로 해석 결과를 볼 수 있다. 색상은 해석 결과 수치를 나타내고 Marker의 길이는 적용 최대 두께 또는 거리를 나타낸다.

< 토우(Toe)와 루트(Root) 결과 >

< Marker 결과 >

[그림 11] nCode DesignLife 용접부 해석 결과

 Marker는 표면 응력 평가 방법 또는 Solid 요소의 두께 방향 응력 평가 방법에만 사용된다.

 

맺음말

여기까지 Ansys nCode DesignLife에서 용접부 수명 평가를 위한 해석 수행 방법을 확인해 보았다. Solid와 Shell 요소를 모두 평가할 수 있었으며, 평가 방법에 따라 설정 가능한 다양한 옵션들을 통해 평가 위치 및 결과 확인 방법을 살펴보았다.