The object of this study is the establishment of the safety assessment for high temperature by combining the inelastic constitutive equation, the life prediction method, and the finite element method. The Inelastic analysis and life prediction for structures subject to thermo-mechanical loading was focused on particularly and the practical methods for expanding the constitutive model and the life relation developed under isothermal condition to thermo-mechanical condition were proposed.
The material testing of 316L stainless steel and 429EM stainless steel was performed under monotonic and cyclic loading. The original overlay model was shown to be efficient for describing hysteretic behavior of both materials except the cyclic hardening (or cyclic softening) and the strain range dependence observed through strain controlled low cycle fatigue (LCF) tests of 316L and 429EM stainless steel. The overlay model was modified to consider the characteristics observed in the cyclic deformation of non-Masing material. It was found that the nonlinear region of hysteresis loops at different temperatures could be described by the reference hardening curve and influence factor. The temperature dependence of hysteresis loop can be represented as a simple function taken by comparing the shape of hysteresis loops at several temperatures, not by determining and interpolating material parameters at several temperatures. The prediction by the modified overlay model and temperature dependence of hysteresis loops showed good agreement with the actual hysteresis loops under thermo-mechanical condition.
In order to overcome complexity in conventional life evaluation and introduce the advantage of continuum damage model, continuous damage model (CDM) was developed. This model can be regarded as an incremental form of Morrow’s model that related the plastic strain energy density with fatigue life. The damage conversion factor was proposed and coupled with the overlay model to consider the effect of the reversed plastic strain on the damage accumulation. Because the damage contour at every instant can be seen without any post-processes usually required in the conventional fatigue evaluation, the fatigue evaluation procedure using CDM is intuitive and practically simple. The modified overlay model and CDM were implemented into ABAQUS through UMAT subroutine and applied to the safety evaluation of the high temperature structures. The inelastic analysis and the life evaluation were performed for the exhaust manifold where thermal stress induced by thermal mismatch is the main failure mechanism. It was shown that the developed procedure for safety evaluation was very applicable and easy to use even under thermo-mechanical and variable amplitude loading conditions.
본 연구는 비탄성 구성식과 수명 예측 모델, 그리고 유한 요소법을 결합한 고온 구조물의 안정성 평가 체계 구축을 목표로 한다. 특히 온도 변화에 의한 열응력이 주요 파손 기구로 작용하는 고온 구조물의 안정성 평가에 대한 연구를 중점적으로 수행하였으며 일정 온도에서 개발된 모델을 변온 조건으로 확장하는 합리적인 방법론을 제시하였다. 316L 스테인레스 강과 429EM 스테인래스 강의 반복 변형실험을 통해 재료의 변형 거동의 모사에 다층 모델(Overlay model)이 적합함을 보였다. 또한 기존의 다층 모델에서 모사하기 힘들었던 반복 경화(혹은 반복 연화), 변형률 진폭 의존성을 고려한 수정 다층 모델을 제안하였다. 이력곡선을 선형 구간과 비선형 구간으로 분리하고 각각의 온도 의존성을 고려하는 방법을 제시하였으며 이를 통해 각 온도의 재료 상수를 구하지 않고도 이력곡선의 온도 의존성을 간단한 함수 형태로 표현할 수 있게 하였다. 개발된 구성식의 적용성을 평가하기 위해 열적 기계적 피로 실험을 수행하였다. 유도 코일을 이용한 열적 기계적 피로 실험기를 개발하였으며 저주기 피로 실험에 적절한 2-2 역턴 코일과 열적 기계적 피로 실험에 알맞은 2-2 정턴 코일을 제작하였다. 이력곡선의 온도 의존성을 이용하여 열적 기계적 피로 이력곡선을 정확히 예측할 수 있음을 보였다. 기존의 수명 평가법의 복잡성과 연속체 손상 모델의 단점을 극복하기 위해 연속 손상 모델을 개발하였다. 이 모델은 소성 에너지-수명 관계식과 손상발생에 미치는 역변형률(Reveresed strain)의 영향을 고려하여 연속적인 손상 발생을 모사할 수 있도록 구성하였다. 또한 온도가 변하는 경우나 변동 하중이 작용하는 경우에도 수명을 예측할 수 있도록 하였다. 개발된 모델을 사용할 경우 추가적인 후처리 없이 현재 상태의 손상분포를 알 수 있기 때문에 구조물의 수명예측 절차를 단순화시키고 구조 설계 단계에서 유용하게 사용될 수 있음을 보였다. 개발된 비탄성 구성식과 수명 예측 모델을 유한요소 해석코드(ABAQUS)와 결합하여 고온 구조물의 안정성 평가 체계를 구축하였다. 온도 변화에 의한 열응력이 주요한 파손 기구로 작용하는 고온 구조물인 가솔린 엔진의 exhaust manifold 의 수명 평가를 수행하여 개발된 안정성 평가 체계의 적용성을 검증하였다
