연구논문 하윤석 삼성중공업산업기술연구소용접연구파트 A Study on Weldment Boundary Condition for Elato-Platic Termal Ditortion Analyi of Large Welded Structure Yunok Ha*, *Welding Reearc Part, Samung Heavy Indutrie CO., LTD., Geoje 656-710, Korea Correponding autor : yunok.a@amung.com (Received February 14, 2011 ; Revied May 23, 2011 ; Accepted Augut 18, 2011) Abtract A termal ditortion analyi wic take train directly a boundary condition removed barrier of analyi time for te evaluation of welding ditortion in a large ell tructure like ip block. If te FE analyi time i dramatically reduced, te tructure modeling time or te input-value calculating time will become a new iue. On te contrary to ti, if te calculation time of analyi input-value i dramatically reduced and it reult alo are more meaningful, a little longer analyi time could be affirmative. In ti tudy, intead of uing inerent train baed on elatic analyi, a termal train baed on elato-platic analyi i ued a te boundary condition of weldment in order to evaluate te welding ditortion. Here, te termal train at te weldment wa etablied by uing a tre-train curve etablied from te tet reult. It i poible to automatically recognize te modeling induced-tiffne in te rinkage direction of welded or eated region. Te validity of elato-platic termal ditortion analyi wa verified troug te experiment reult wit variou welding equence. Key Word : Termal ditortion analyi, SDB Metod, Stre-Strain curve, Elato-Platic, FEM 1. 서론 선체구조물과같은대형쉘구조물은대부분용접으로조립하고 이과정에서는반드시잔류열변형이발생한다 이러한용접열변형을제어하기위하여 사전에추가적인공수없이할수있는것으로는경험에기반하여용접순서나용접방향을변경하는것이있다 그런데이러한대처는몇가지제약이존재한다 우선 열변형에기인한잔류변형은해당부위에내재된잔류응력과꼭비례하는것은아니라는것에서기인한제약이존재한다 고온의열이력을경험한강재는탄소성이력및소재변화를겪었기때문에 최종상태 의잔류변형을강제로없앤경우에도용접부에는 인장 응력이남아있을수있고 반대로잔류응력을해소시킨경우에는역으로변형이남아있을수있다 선박생산기술에입각한대부분의소조립지도서는일반적으로잔류응력의수준을낮추는것을목적으로용접방향과순서를기술한다 그다음으로는선체블록의특징에기인한제약이있다 일단중조립블록수준의크기가되면 각블록들은임의의형상이라고볼수있고 정도관리의규정을받는위치와항목이각블록별로매우다르다 해당건조선박이시리즈선이라하더라도 이전블록의조립경험에의거하여 용접부개선 블록재분할에따른용접선위치및용접시구속위치등은쉽게변경된다
따라서선체블록단위에서용접열변형을저감하는개별순서가경험적으로자료구조화되는것은매우어렵고 그효율도극히낮을것으로예상할수있다 본연구는선체블록규모의대형용접구조물에대하여 조립에필요한다수의용접선간의순서변화가일으키는변형차이를해석적으로확인하고 또한그것을제어할목적의탄소성해석을빠르게구현할수있는방법을제시하고자하였다 이미대형구조물에대한열변형해석시간의절감은쉘요소를사용하는고유변형률기반등가하중법 으로해결이된바있다 최근에는가상의등가하중대신가상의물성치와온도를사용하는변형률경계법 으로인하여하중모델링시간마저대폭단축된바있다 이에본연구는변형률경계법을기반으로하되 상용코드에서탄성해석모드로는내부소성응력및변형률에기인한이전 의결과에대한영향을고려하지못하는점을개선하고자하였다 변형률경계법에서의고유변형률입력인자는상용 코드의탄성해석모드를기준으로개발되어있었던만큼 본연구는탄소성해석모드에서의합리적입력인자를정의하는데에초점을두었다 탄소성해석시에필요한물성치의응력 변형률곡선은용접재의 의정보를바탕으로탄성 소성체로용접부재료를가정한모델을사용하였다 본연구를통하여 일단복수의동일한용접구조물에대하여변형률경계법을사용하여열변형을해석할시에 각구조물의용접순서를다르게하여최종열변형이상이하게만들어지는상황을해석으로모사하였다 또한그러한결과들간의방향이실제와유사한지를평가하기위하여 동일한형상을가진 개의구조물을각기다른순서로용접하는실험을통하여 제안된해석법의결과들의변형정도차이가실험간의순서와매우유사함을보였다 α 용접부요소의등가열팽창계수 절점에서의가상의상부온도 절점에서의가상의하부온도 판두께 용접부단면열영향부의폭 용접부요소의크기용접열변형을해석으로구현하기위한등가하중법은식 의고유변형률을용접부단면에대하여적분하여등가의수축력과모멘트를구하여상용 코드 본연구에서는 을사용 의구조해석에적용한다 변형률경계법은이고유변형률을가상의음수의열팽창계수로치환하고 용접부단면이갖는형상을모사하는가상의온도를설정하여 두스칼라입력값의조합으로용접부수축하중이모사된다 * e = e = e termal - e + e elatic pae + e platic 기술한방법론들은 내에서는열에너지의출입을다루지않고 가상하중이나가상온도의경계조건만으로해석을수행함으로써열변형해석속도의증가를꾀하는것이고 해석해의정밀도는입력인자의고유변형률이이미결정하고있다 과식 를통하여고유변형률의정의및용접부의최종냉각상태에서응력과변형률을도시하였다 에서실선응력축의위치는용접이수행되기전을기준으로한다 고온액적의용접재가식는과정은해당원점에서응력 변형률선도가항복응력과탄성계수를회복하면서음의방향으로열변형률만큼평행이동하는것으로도시할수있다 용접부를주변부가구속하지않는다면 의점선선도와같이열변형률만큼용접부가계속적으로수축할것이지만 주변부의구속을받는용접부는주변부 2. 고유변형률기반의탄성해석 식 을통하여본연구에서기반해석법으로선 택한변형률경계법을설명하고자한다 Equivalent tiffne of adjacent tructure A 1 Et σ σ Y * a = e T T top bottom 1 2 4 = ò b( z) (1 - z) dz B - 2 1 2 4 = ò b( z) (1 + z) dz B - 2 고유변형률 중립축으로부터의두께방향좌표 platic E 1 elatic termal +pae * o
하윤석 와응력평형을이루는선에서평행이동이멈추게된다 실제열변형률과선도의시작점차이가소성변형률로 잔류하게되고 용접전응력축의위치대비최종상태 의선도의시작점의위치가바로고유변형률이다 고유변형률기반의탄성해석은바로이고유변형률을 입력값으로사용하고 해석시용접구조물의모델링자 체가용접부를구속하는주변부가되도록하여 용접 후최종상태인 점 의전 변형률이해석결 과로서도출되도록하는것이다 고유변형률의최신이론은상변태 하드닝 등을모두다루고있으나 주변 부와의강성비 를먼저알고있어야한다는약점은극 복되지못하고있다 고유변형률계산에반영되는상변 태는크게냉각속도로부터최종상분율을추정하는과 정과결정립성장과정 으로부터마르텐사이트의항복응 력을추정하는과정의두부분을다룬다 Modeling Stiffne HAZ Stiffne * σ Modeling Stiffne σ σ Y 3. 열변형률기반의탄소성해석 대부분의용접에서주변부는용접부를상당히강하게구속하지만맞대기용접과같이주변부구속이거의없는경우도충분히존재한다 따라서강성비는가능한정확히반영되는것이적절하겠으나이를고유변형률기반의탄성해석으로구현하려고하면용접부요소별로 그리고하나의요소에서도이방성요소를사용하여방향별로다른값을적용하여야한다 이는원칙적으로열변형률만큼의수축을유도하는탄소성모드로해석하면재료와모델링이이원화되어자동적으로해결된다 지금까지열변형해석에서의많은진보가해석시간을단축하는부분에서이루어진만큼탄소성모드에서의해석은수렴이나시간에서부정적이미지를보일수있다 그러나변형률경계법의도입으로초단위의해석이가능해진상태에서는이러한시도가의미있다고볼수있다 에서볼수있는것처럼 실제 와같이탄소성해석에서구현되어야할열변형해석이탄성해석에서도같은값이도출되도록하기위하여 의고유변형률이잘설계되어야하는것으로이해될수있다 의 모두에서모사된점선으로도시한주변부의상대적강성은실제모델링이그자체로서구현하는것으로서 위치마다바뀌는값이다 대부분의용접은 와같이대부분인장응력이내재된소성상태이므로 주변부강성에의하여잔류변형은거의비례한다 완전소성모델에서는정비례한다 그런데하나의고유변형률값으로해석된탄성해석에서는주변부강성의큰변화에도육안으로관찰되는전변형률은별로변하지않는다 이것은 에서 t + p p 포함 가 단위의매우가파른기울 기를갖고있는것으로부터확인할수있다 탄성해석에들어가는물성치입력정보는고유변형률 과탄성계수단두가지이다 그러나탄소성해석에서 는더이상열영향부를무한탄성체로가정하지않기때 문에응력 변형률곡선을정의하기위한몇가지정보 가더필요하다 이에대하여본연구에서는입력값으 로지정하여야할정보를네가지로지정하여해석에 사용하였다 열변형률 식 이다 첫번째는가상의열팽창계수로지정되는 기존고유변형률에서반영하던 상변태는여기에반영하였다 여기에는최근그수요가 늘고있는 강재를반영하기위하여용접재의열 팽창계수에베이나이트상에대한고려 를포함하고있 다 상변태를고려한필요가없는소재의용접재에대 해서는 에제공된열팽창계수의값을 참고하거나 실험을통하여열팽창계수를온도의존성으 로구하여사용할수있다 e termal + e pae = ò Troom TMax mod a (T ) dt 용접재의녹는점 용접부최종온도 α 재료의상변태부피팽창의미분값이추가된열팽창계수
두번째는항복응력이다 본연구에서는용접후의항복응력을기술한용접재의 에대해서는비드부단면적에대해서그값을그대로사용하고 열영향부에는최종상변태후의분율을가중치로하여각상의항복응력으로부터합산된항복응력을구하여 다시비드부와열영향부의단면적의비를가중치로하여이둘을합산한값을사용하였다 식 에는상변태에고려된상들과상온부이하에서의거동을파악하기위한저온상태의추가되는항복응력을포함하였다 ( T ) = Y Yg g + YM M + YB B + YF 100,000 + Max[ -189, 0] 491 + 1.8 T σ γ 또한 가제공하는항복응력은 신장점에서정의되므로 탄성계수는식 과같이지정하였다 YP E = 0.002 마지막으로소성계수를정의하기위하여연신율과인장 항복비를사용 식 하였다 TS 1- YP H = Elongation - E TS 4. 동일구조물용접을통한검증 본연구의목적은변형률경계법을순차적으로적용하는경우실제이전의잔류응력장이반영된용접순서별로다른결과를낼수있도록하는것이다 본연구에서는이를고려하여 동일한형상의용접구조물시편을도출가능한모든용접순서의가지수만큼제작한후 마찬가지의해석과정을거쳐서변형의결과가좋은순서대로나열한것이실험과해석간에같은순서를보이는지를확인하려고하였다 시편은 과같이주판에 개의보강구조가필릿용접으로구성하되 보강구조간의용접도필릿으로 F 1. ABC 2. ACB 3. BAC 4. BCA 5. CAB 6. CBA 설계하였다 맞대기용접을배제하여초기세팅오차에 대한불확정요소를최대한없애려고하였고 곳의용 접처는세그룹으로묶어서총 가지 의모든용 접순서를고려하여가접상태가동일한구조물 개를 마련하였다 구조물의소재로는 을사용하였 고 전용접선의각장은 수평자세 부분에 대해 수직자세 부분 은 에들도록관리및사후측정으로 확인하였다 를통하여 가지의가능한용접순서를도식화 하였고 를통하여본실험에서의저변형의기준 으로삼은지표를표현하였다 변형지표로는초기변 형에비해그 가매우큰면외변형위주로만선정 하여 계측의오차를최소화하려고하였다 즉 변형지 표를구성하는각항으로선정된측정점들의쌍은자신 들의놓여있는평면과이름이서로직교하도록구성되 었다
하윤석 ΔZ_1 ΔY ΔX ΔZ_2 ¼ Analyi Y Z X Deformation index 장좋은결과와나쁜결과에대해서는정확히예측하였다 실험결과로서의미있는부분은가접이완료된구조물의경우라도단지용접순서변경에의해서변형량의최소와최대의차이는 배이상까지발생하였다는것이다 즉 해석법이그결과에있어서변형에대한정량적인예측을정확하게하지못했다고하더라도 작업의순서를결정하는결과에대해서는매우공신력있는결과를주고있기때문에 본연구결과는실제적인변형제어에있어서큰공헌을할수있는가능성이확인된다 개시편의계측은 시스템 적외선주파수 적외선 주파수 을이용하여 차 원절대좌표를정밀하게얻은뒤 해당관심좌표별로 가공하여면외편차를구하였다 에실험에서드러난저변형순서와해석에서 도출된저변형순서를비교하였다 각순서의이름은 에서지칭된용접부를순서대로그대로서술하는 방식으로지칭하여직관적으로각경우의용접순서를 인지할수있도록하였다 결과는대략두가지방향에 서고찰할수있다 첫번째 변형지표의결과값의정도에대해서는 실험 결과는순서별변형량의차이가큰편이나해석결과는 그차이가크지않다 그러나 개경우의평균적인결 과는어느정도유사한것을확인할수있다 두번째 결과는매우고무적이다 용접순서가고려됨에따라구 조물은단계적으로내부잔류응력및소성변형률그리 고전체구조물강성이조금씩바뀌는데그민감한차 이에기인한시편의순서들간의변형해석결과는실 험의순서와거의일치한다 에서음영처리된 경우를제외한나머지 개간의용접저변형순서 는해석결과와실험결과간의순서가동일하다 특히가 5. 선체블록적용사례 본연구의결과는 단위의정도규정을받는특수선의기능성블록의세팅등에좋은활용이예상되었다 에서파이프준설선의크레인블록 에적용된예를소개하려고한다 선체중앙 을중심으로크레인블록간간격의정도는 이내 중앙부에서각크레인블록까지 로매우높게요구된다 에등장하는 곳의용접부는용접성을위하여모두같은방향으로 가형성되었으고 따라서블록의용접이진행되면모두바깥쪽으로뒤틀어져서좌우한쌍의크레인블록간거리가벌어지기쉬울것으로예상할수있다 곳의용접부는 가지의용접순서를만들어낼수있으므로 이들을모두제안한방법론으로해석해본결과 과같이 이내의변형결과를갖는용접순서가도출되었다 해석은 절점쉘요소약 개의수준으로작업된모델링이사용되었다 해석결과의유용성을확인하기위하여 과같이용접전 가접 상태에서크레인중앙부가선체중앙으로부터의거리를설계값대비미리계측해두었다 A310 J300 A330 A350 A B C A340 D
3.1 mm 성해석용고유변형률을대체할인자로서상변태를포함한열변형률을사용하였고 탄소성물성특성을탄소성체로가정한응력 변형률곡선을사용하였다 탄소성특성의옳은반영여부를확인하기위하여 동일구조물시편에대하여용접순서가바뀐실험과측정이진행되었고 열변형정도에대한용접순서는해석결과와좋은일치를보였다 마지막으로 실제선체블록해석사례를소개하여현업에서유용한기술이될수있음을보였다 (1) Dipl. Bat. (1) & C.L. Tack Weld PORT -1 2 Starboard +3 +3 값이 가될수록설계값대비선체중앙에서멀어지 는것을의미한다 해석된순서대로건조가이루어진 후좌 우두블록의중앙선으로부터의거리변화는중앙 에서멀어진것으로도출된해석결과와좋은일치를보 이고있다 6. 결론 본연구를통하여빠른해석속도를보장하는변 형률경계법 법 의탄소성모드에서의해석에필 요한입력인자를결정하였다 입력인자로는 종래의탄 5 8 참고문헌