SCF 측정 실험 (SCF Measurement Test)

소개글

SCF 측정 실험 (SCF Measurement Test)에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. 실험 목적
2. 기본 이론
　2.1 응력 집중 (Stress Concentration)
　2.2 응력집중계수 (Stress Concentration Factor : SCF)
　2.3 재료의 파괴
　2.4 Measurement of Stress Concentration
　　2.4.1 대표적인 응력의 종류
　　2.4.2 각 선급별 응력 산정법 (용접구조물)
　2.5 Strain gage
　2.6 ESPI System의 원리
3. 실험 장비
　3.1 UTM (Universal Testing Machine, 만능 재료 시험기)
　3.2 Strain gage
　3.3 실험 시편
4. 실험 방법
5. 실험 결과
　5.1 Strain Gage를 이용한 응력 측정
　5.2 각 선급 룰에 따른 응력 산정
　5.3 ESPI를 이용한 응력 측정
　5.4 무한평면에서의 응력집중계수 도출
　5.5 이론적 응력집중계수 도출
　5.6 각각의 응력집중계수의 비교
6. 결과 고찰
　6.1 응력집중 완화대책
　6.2 고찰
7. 참고 문헌

본문내용

위해서 실행했다. Geometric Stress는 구조물의 형상 변화를 고려한 값이기 때문에 DNV방법으로 구한 SCF가 좀 더 신뢰할 만한 Data라고 생각한다.
- ESPI Data를 이용해 측정한 SCF들은 Strain Gage를 사용해 측정한 값 1.6356과 각각 0.35, 0.8정도 차이가 난다. ESPI의 경우 현재 기계의 고장으로 다른 종류의 시편으로 예전에 측정한 데이터를 사용하였다. 따라서 시편의 차이에 기인하는 오차라고 할 수 있다. 똑같은 시편으로 실험 할 경우 차이가 적으리라고 예상한다.
- 무한평면에서 응력집중계수의 값은 3이지만 Strain gage를 이용한 응력집중계수의 값은 3보다 훨씬 작은 값이 나왔다. 무한 평면에서는 d/w 값에서 d값은 일정한 데 비하여 w의 값이 증가하기 때문에 d/w 값이 0에 근접하게 되고 이때의 응력집중계수는 3이 된다. 하지만 Strain gage를 이용한 응력집중계수의 값은 유한평면으로 변화하면서 w값이 감소하고 결과적으로 d/w의 값이 증가하게 되므로 응력집중계수가 3보다 작아지게 된다.
- 이론 값 2.7보다 더 작은 값이 나온 이유는 Strain gage를 정확하지 않게 부착한 이유와, 응력 집중의 저하로 인한 이유가 있을 것이다.
6. 결과 고찰
6.1 응력집중 완화대책
1) 예리한 홈이 있는 경우

구조물에 옆의 그림과 같이 예리한 홈이 있는 경우 이 부분에서 응력집중현상이 일어날 것이다. 홈의 경우 홈이 예리할수록 응력집중 계수 K가 커지므로 이 부분을 좀 더 부드러운 곡선의 형태로 만들어주는 것이 응력집중을 완화 할 수 있다.
2) 필렛(Fillet)부를 갖는 경우

필렛부를 갖는 구조물의 경우 위쪽 그림에서 보면 필렛부의 곡률반경이 작을수록 응력집중계수의 크기가 커짐을 알 수 있다. 따라서 구조물의 곡률반경을 증가시키는 방법이 있을 것이다. 필렛부의 응력집중 완화대책을 나열하면 아래와 같다.
① 필렛부의 곡률반지름을 최대한 크게 한다.
② Fig 33. 왼쪽 (b)에서 보는바와 같이 테이퍼부분을 부착하여 단면변화를 완만하게 만든다.
③ 하나의 단면변화부분에 근접하게 제 1 및 제 3의 단면변화형상을 설치하여 재료내의 응력의 흐름을 완만하게 한다. (Fig 33. (c))
④ 보강재를 덧댄다.(가장 단순하면서 좋지 않은 방법)
⑤ 응력집중현상이 발생할 수 있는 부분에 쇼트피닝과 압연처리 및 열처리를 하여 그 부분을 경화시키기도 하고, 표면의 거칠기를 향상시킨다.
3) 타원형의 구멍이 있는 경우

구조물에 옆의 그림과 같이 타원의 구멍이 있는 경우 구멍이 축 방향으로 좁아질수록 즉 타원의 양끝이 예리해 질수록 응력집중 현상이 심해지는 것을 확인할 수 있다. 따라서 타원의 예리한 양 끝에 구멍을 뚫어 줌으로 해서 응력집중의 완화를 기대할 수 있다.
6.2 고찰
이번실험은 UTM(Universal Testing Machine)을 이용하여 인장 하중을 점점 증가시켜 시편에 대한 변형률을 얻고 변형율과 탄성계수를 이용하여 구한 후 이를 이용하여 우리가 최종적으로 구하고자하는 Stress Concentration Factor(응력 집중 계수)를 구해보는 실험이었다.
응력집중 현상이 발생하는 이유는 급격하게 변하는 형태의 급격한 변화와 하중의 형태에 따라 결정 된다. 구조의 설계나 혹은 여러 물품의 설계로 인하여 생기는 이러한 형태 변화에서 중요한 것은 바로 응력 집중 현상을 잘 관리하는 것이다.
따라서 응력집중현상을 완화하기 위해서는 기하학적 형상을 일정하게 하면 되지만 구조물의 특성상 여러 가지 형상의 부재가 들어가므로 응력집중현상은 피할 수 없는 과제이다. 좀 더 나가 연성재료의 시험편에 구멍이나 노치가 있어도 소성변형에 의하여 응력집중의 완화를 기대 할 수 있다. 따라서 연성재료의 경우 응력집중의 완화를 기대할 수 있으나 유리와 철과 같은 취성재료의 경우 파괴점까지 도달할 때까지도 이와 같은 응력집중현상이 완화되지 않는다.
따라서 유리나 철과 같은 취성재료의 시험편에 노치가 있는 경우 정적 시험에서도 최후 강도의 저하가 나타난다. 따라서 일반적으로 기계의 설계상 응력 집중의 영향은 되도록 경감하도록 노력 하는데 유의해야 한다.
오차가 발생한 원인으로는
① 스트레인 게이지를 부착한 표면의 연마 상태가 불량하여 스트레인 게이지가 완전히 밀착 되지 않아 변형이 정확히 측정되지 않을 수 있다.
② 스트레인 게이지는 게이지의 응력에 대한 저항 값의 변화를 원리로 한 측정기 이다. 저항은 온도와도 밀접하다. 따라서 측정온도가 이상 범위가 아닌 경우 그만큼 측정저항에 영향을 미칠 수 있다.
③ 재료에 여러 불순물이 섞여 있어 탄성계수(E)가 변할 수 있다. 따라서 더 정확한 측정값을 얻기 위해선 이러한 오차의 원인들을 최대한 줄인 뒤 시험을 해야 될 것이다.
마지막으로 이번 실험을 통해서 응력집중계수라는 값을 잘 활용하여 보다 효과적인 구조물을 만들 수 있고, 이러한 것을 이용한다면 효과적인 설계가 가능 하겠다는 것을 알았다. 그리고 구조물의 특징을 파악해야만 그 특징에 맞는 설계를 하여 보다 안전한 구조물을 설계할 수 있겠다는 것 또한 알 수 있는 실험 이었다.
7. 참고 문헌
1) 김경수 외 3인, ‘과대하중이 피로수명에 미치는 영향에 관한 연구’, 대한 조선 학회 논문집
2) 김경수 외 4인, ‘ESPI System으로 측정한 용접부의 국부 변형률이 Low Cycle Fatigue에 미치는 영향’, 인하대학교 선박해양공학과, 2006
3) 이상록 외 5인, ‘응력집중을 고려한 축류의 피로수명 향상에 관한 연구’, 한국기계연구원, 1992
4) James M.Gere, ‘재료역학’, 교보문고, 2009
5) 임상전 저, ‘재료역학’, 문운당, 2005
6) Strain gage의 원리(1), http://www.imadang.co.kr/tech-data/strain.htm
7) Strain gage의 원리(2), http://solder.tistory.com/15

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SCF,   응력,   응력 집중,   파괴,   ESPI,   UTM,   Strain Gage,   응력집중계수,   SCF 측정 실험,   SCF Measurement