In the present study, a new stochastic model using Markov chain is developed in order to perform statistical reliability assessment of material life under various loading conditions. Multiaxial fatigue life and variable multiaxial fatigue prediction methods are surveyed. The proposed stochastic model is applied for the low cycle fatigue life prediction and reliability assessment of 316L stainless steel under variable multiaxial loading. In the proposed model, fatigue phenomenon is considered as a Markov process, and damage vector and the reliability are defined on every plane. Any low cycle fatigue damage evaluating method can be implemented in the proposed model. The propose model enables calculation of statistical reliability and crack initiation direction under variable multiaxial loading, which are generally not available. In the present study, a critical plane method proposed by Kandil et al., maximum tensile strain range, and von Mises equivalent strain range are used to calculate fatigue damage.
When the critical plane method is chosen, the effect of multiple critical planes is also included in the proposed model by employing the global reliability. Maximum tensile strain and von Mises strain methods are used for the demonstration of the generality of the proposed model. The material properties and the stochastic model parameters are obtained from uniaxial tests only. The stochastic model made of the parameters obtained from the uniaxial tests is applied to the life prediction and reliability assessment of 316L stainless steel under variable multiaxial loading. The predicted results show good accordance with experimental results.
The stochastic modeling of high temperature low cycle fatigue is developed using a new energy based high temperature low cycle fatigue life prediction method by Hong and LeeE1? which can take consideration of temperature and strain rate effect. In this case the stochastic modeling is identical to the room temperature uniaxial fatigue case because the life prediction parameter is a scalar quantity. High temperature low cycle fatigue of 316L stainless steel is performed and the result of stochastic modeling shows a good accordance with the experimental result and generality in the applications.
For the multiaxial creep test and the stochastic modeling of the multiaxial creep damage accumulation, multiaxial creep tester is developed. The developed multiaxial creep tester used dead weight lever loading system for tension and dead weight rotating disk system for torsion. The multiaxial creep tester uses light detecting sensors which detect the deflection of the tensile lever, and auto-leveling system which uses the deflection signal, closed loop system and servo-motor the tensile lever sustains its balance during creep testing. A new multiaxial creep strain measuring system is developed using LVDT and RVDT, and creep strain data acquisition system using AD-board is developed. The developed creep strain measuring system has wide range of measurement which is necessary for the creep strain measurement.
Uniaxial creep tests of 316L stainless steel are performed using developed multiaxial creep tester and strain measuring system. Mean creep rupture time and probability distribution of the uniaxial constant loading creep are obtained at 650？ in order to establish the transition matrix for uniaxial and multiaxial creep damage accumulation. Multiaxial creep tests are performed and von Mises stress, maximum tensile stress and Huddleston parameter are applied for the data analysis. Huddleston parameter shows the best accordance with experimental results and von Mises equivalent stress shows the poorest result. Multiaxial creep tests under axial stress 240MPa and shear stress 92.6MPa are repeatedly performed in order to obtain EDF(empirical distribution function) of multiaxial creep rupture time and compare with the CDF(cumulative distribution function) calculated by the stochastic model. von Mises equivalent stress, Huddleston's parameter and maximum tensile stress are used for the mean life prediction of the multiaxial creep rupture time prediction. The stochastic model with Huddleston's parameter showed the best accordance with the experimental results. A new multiaxial creep rupture time prediction and reliability assessment method was proposed using stochastic modeling and critical plane concept.
본 연구에서는 다양한 하중 조건 하에서의 재료 수명 및 신뢰도 평가를 위하여 마르코프 사슬 모형을 이용한 새로운 추계적 모델이 제안되었다. 다축 피로 및 가변 다축 피로 수명 예측 방법이 조사되었으며 가변 다축 저주기 피로 하의 316L강의 수명 평가 및 신뢰도 평가에 제안된 추계적 모델링이 적용되었다. 제안된 모델에서는 피로, 크리프 등의 재료 손상과정이 마르코프 과정으로 모사 되었으며 임계평면 방법에 기반한 손상 벡터가 모든 평면에서 정의되었다. 다양한 저주기 다축 피로 수명예측 방법이 추계적 모델에 포함될 수 있으며, 제안된 모델은 가변 다축 저주기 피로 상황에서 수명예측, 확률론적 신뢰도 평가, 균열 발생면 예측 이 동시에 가능하였다. 또한 제안된 모델을 이용하여 다중 임계평면, 하중 순서, 초기 손상의 영향이 정량적으로 평가되어짐을 보였다. 본 연구에서는 일축하중 하에서 구해진 추계적 모델의 특성치들이 다축 피로 수명예측 및 신뢰도 평가를 위해 적용되어졌으며, 최대인장 변형률, Mises 등가 변형률, Kandil 파라미터, Lohr 파라미터가 사용되어졌으며 실험결과와 잘 일치됨을 보였다.
제안된 추계적 모델은 316L강의 고온 저주기 피로의 수명예측 및 신뢰도 평가에 적용되었으며 이 경우는 상온 일축하중 피로의 경우와 동일한 추계적 모델링 방법을 사용할 수 있었다. 316L 재료의 고온 저주기 수명평가를 위하여 Hong과 Lee의 방법이 적용되었다.
제안된 추계적 모델을 고온 다축 크리프 수명예측 및 신뢰도 평가에 적용하기 위하여 다축 크리프 실험기, 크리프 변형률 측정 장비가 개발 되었다. 개발된 다축 크리프 시험기는 중량하중에 의한 정하중을 사용하였으며 크리프 변형에 의한 하중부의 처짐을 보상하기 위하여 실시간으로 작동하는 광감지형 Auto-leveling 시스템이 이용되었다. 크리프 변형률 측정 장비는 LVDT와 RVIT를 사용하여 가열로 외부에서 시편의 변형을 측정하며, 크리프 변형 신호는 AD-Board를 이용하여 컴퓨터에서 처리되도록 하였다. 개발된 다축 크리프 시험기를 이용하여 650℃ 에서 316L강의 단축 크리프 시험이 수행되었으며 크리프 파단 수명의 평균 및 수명 분포 등의 통계적 특성을 이용하여 크리프 조건 하에서의 316L 강의 추계적 모델링 특성치들을 구하였다. 650℃ 하에서 인장응력 240 MPa, 전단응력 92.6 MPa 의 다축 하중 크리프 파단 시험이 반복적으로 수행되어 EDF (empirical distribution function)이 구하여졌으며, 추계적 모델을 이용하여 얻어진 CDF(cumulative distribution function)과 비교 되었다. Mises 등가응력, Huddleston 응력, 최대 인장응력이 다축 크리프 파단 수명예측을 위해 사용되었으며 Huddleston 응력을 적용한 추계적 모델이 실험결과와 가장 잘 일치함을 보였다.
