다쏘시스템코리아 시뮬리아 강찬회 기술파트너입니다.

많은 부품의 피로 설계는 균열 생성을 방지하기 위한 설계 과정입니다. 상당수 부품의 경우 균열 생성까지의 수명이 전체 설계 수명을 의미합니다. 이는 균열 발생 후 진전 속도가 매우 빨라 균열 생성 수명이 전체 수명의 대부분을 차지하거나, 균열이 발생하더라도 설계 수명을 채울 수 있음에도 불구하고 제품 책임(Product liability) 법안으로 인해 사용 중 균열이 발생할 수 있는 부품의 출하가 금지되기 때문입니다.
 

그러나 이러한 설계 철학을 모든 부품에 적용할 수는 없습니다. 예를 들어, 항공기 구조물은 비행 중 우발적인 손상을 입을 수 있으므로 충격 손상 후에도 구조물이 비행에 적합함(Airworthy)을 균열 성장 계산을 통해 입증해야 합니다. 또한 어떤 부품은 설계 오류로 인해 사용 중 균열이 발생할 수 있으며, 이 경우 균열이 파국적인 파단(Catastrophic fracture)을 일으키는 것을 막기 위해 안전한 점검 주기(Safe inspection intervals)를 계산해야 합니다.
 

취약한 균열(Short crack) 및 결함으로부터 시작되는 취성 파단(Brittle fracture) 위주의 피로 설계 방법으로는 파괴역학(Fracture Mechanics) 접근법을 이용하게 됩니다.
 

구조물은 반복적인 사용 하중을 받아 피로 균열이 발생할 수 있습니다. 균열 길이가 증가함에 따라 더 큰 응력 집중을 일으키므로 균열 진전 속도가 가속화됩니다. 구조물의 강도는 균열 길이가 길어짐에 따라 저하됩니다. 결국 구조물의 강도는 작용 가능한 최대 사용 하중에 견디기에 부족해지며, 최대 사용 하중이 발생할 경우 파손 가능성이 생깁니다. 균열이 계속 성장을 거듭하면 구조적 강도가 더욱 감소하여 정상적인 사용 하조조차 견딜 수 없게 되며, 이에 따라 정상 하중 조건에서의 파단 확률이 매우 높아집니다.
 

구조 설계 및 해석 엔지니어는 다음 항목들을 계산할 수 있어야 합니다:

• 균열 크기의 함수로서 나타나는 잔류 강도(Residual strength)
• 예상 운용 조건 하중에서 허용 가능한 균열 크기 (임계 크기, Critical size)
• 균열이 특정 크기에서 임계 크기까지 자라는 데 걸리는 시간
• 신규 부품에서 허용 가능한 초기 결함(Initial flaw)의 크기

• 균열 검사 사이의 점검 주기(Inspection interval)

   

파괴역학 접근법은 상기 항목들에 대해 솔루션을 줄 수 있는 기능들을 제공합니다. 파괴역학 분야는 원자 수준에서의 파단 과정에 대한 재료과학적 연구, 균열의 성장, 균열 선단(Crack tip) 응력 해석 및 이러한 응력장 내에서의 균열 거동, 시험을 통한 재료 속성 확보 및 시험 기법의 개발, 그리고 최종적으로 실제 구조물 해석에 이러한 기법들을 적용하는 공학적 응용 방법을 포괄합니다.

R2026x FD02 버전부터 3DEXPERIENCE 플랫폼 환경 내에서 FGM / SYE / SNE / OPZ role을 통해 TCD 내구 시뮬레이션이 가능하도록 기능 개선되었습니다. 기존 표면 응력 기반 해석은 노치 루트의 최대 국소 응력만 평가하므로 때로는 과도하게 수명이 짧게 나오는 보수적인 결과를 초래하기 쉽습니다. TCD 내구 해석 기능을 통해 재료의 고유 특성 길이인 테일러의 임계거리 L을 사용하여 표면 아래인 Subsurface 영역의 응력 구배(Stress Gradient)를 함께 활용하여 내구성능을 평가합니다.

Durability Analysis Case 완벽 연동

• Output Request에서 Gradient effect at surface를 Critical distance로 선택하고, Advanced Controls에서 PM/LM 방식을 직관적으로 지정할 수 있습니다.

  • Point Method (PM): 표면 하부 L/2 깊이 지점의 하중 이력을 평가

  • Line Method (LM): 표면에서부터 2L 깊이까지의 하중 이력을 선적분하여 평균 응력 평가

다양한 전용 필드 출력(Field Output Variables) 제공

• TCD 평가가 적용된 손상도(Damage), 피로 수명(Life), 피로 안전율(FRF) 컨투어 및 worst-node 테이블 결과를 제공하여 직관적인 결과 해석을 지원합니다.

현실적이고 신뢰성 높은 수명 예측

• 불필요한 과도 격자 밀집화(Over-refinement) 없이도 노치 감도를 정확히 반영하여 반복 하중 조건에서 작동하는 제품의 실제 피로 수명을 정밀하게 산출합니다.

Kt 수치가 높을수록 표면 응력과 임계거리 위치에서의 응력 차이가 커집니다. 저강도 재료일수록 임계거리가 더 길기 때문에 이 응력 차이가 더 커집니다. 따라서 임계거리 기법은 특히 주철과 같은 저강도 재료의 sharp 노치에 가장 유용하게 적용됩니다. 임계거리 기법을 사용할 때의 이점은 더 높은 응력을 사용할 수 있다는 점입니다. 균열이 진전하지 않는다면 균열이 막 진전하지 않을 한계 수준까지 응력을 올릴 수 있는 가능성을 제공합니다.