피로 검토에서 결과 해석
다음 항목에서는 피로 검토에서 정의할 수 있는 다양한 결과 유형과 결과 해석 방법에 대한 몇 가 지침을 설명합니다.
이축성 표시
이축성 표시는 피로 해석 수행 시 특정 위치의 응력 상태가 가지는 다축 특성을 나타내는 치수부재 결과입니다. 이는 피로 손상이 하나의 지배적인 주응력에 의해 발생하는지 아니면 크기가 유사한 둘 이상의 주응력에 의해 발생하는지를 이해하는 데 도움이 됩니다. 이 결과는 피로 수명, 손상 또는 안전율과 같은 다른 피로 결과를 해석하는 데 유용합니다.
이축성 표시는 응력 상태의 특성을 판단하기 위해 작은 주응력과 큰 주응력의 비율(0에 가장 가까운 주응력 제외)을 측정합니다. 이를 통해 단축 하중을 가정하는 피로 수명 예측의 유효성을 파악할 수 있습니다.
이축성 표시의 값 범위는 -1에서 1까지이며, 다음과 같이 해석할 수 있습니다.
• -1 - 값 -1은 순수 전단 상태를 나타냅니다. 이는 비틀림 하중에서 흔히 발생합니다. 보수적인 피로 수명을 얻기 위해서는 등가 응력(폰 미제스)에서 최대 전단 응력으로 전환해야 합니다.
• 0 - 값 0은 단축 하중 상태를 나타내며, 응력이 순수 인장 또는 압축 상태임을 의미합니다. 이 경우 피로 해석 가정이 가장 정확합니다.
• 1 - 값 1은 두 방향에서 동일한 인장 또는 압축이 작용하는 순수 이축성 하중 상태를 나타냅니다.
이 결과를 사용하여 모델이 다축 하중 상태에 있는지 확인하십시오. 단축 상태(0)가 아닌 경우, 다축 피로 기준을 사용하여 피로 수명 결과를 보다 신중하게 평가해야 할 수 있습니다.
등가 교번 응력(EAS)
이는 하중이 피로에 미치는 "손상 정도"를 나타내는 단일 응력 값입니다. 복합적이고 다축이며 평균 응력이 0이 아닌 하중을 하나의 등가 완전 반전 응력 진폭으로 변환합니다. 이는 S-N 곡선에서 피로 수명을 산출하는 데 사용되는 응력 값입니다.
EAS에는 다음과 같은 변환이 포함됩니다.
• 다축 응력 변환 - 여러 방향의 응력을 하나의 등가 응력으로 결합합니다.
• 평균 응력 보정 - Goodman, Gerber 또는 Soderberg와 같은 모델(현재는 사용할 수 없지만 향후 릴리즈에서 사용할 예정임)을 사용하여 인장 또는 압축 평균 응력의 영향을 보정합니다.
• 최종 스칼라 값 - 재료의 S–N 곡선과 직접 비교됩니다.
다음 그림에서는 S-N 곡선과 EAS를 보여줍니다. Y축은 응력 진폭(S)을 나타내고, X축은 파손까지의 주기(N)를 나타냅니다.
등가 교번 응력을 포함한 S-N 곡선
그래프에는 다음 값이 표시됩니다.
• 파란색 선: 전형적인 S–N 곡선(응력 진폭 대비 주기)
• 빨간색 파선: 등가 교번 응력(EAS)
• 녹색 점선 + 빨간색 점: EAS와 S–N 곡선의 교차 지점에서의 예측 수명
그래프를 다음과 같이 읽을 수 있습니다.
• EAS에서 S–N 곡선까지 수평으로 이동한 다음 N축까지 아래로 이동합니다.
• 이 N 값은 현재 하중에서의 예측 피로 수명(주기)을 나타냅니다.
피로 손상(마이너 법칙)
손상 = 설계 수명 / 예측 수명
손상 > 1인 경우 설계 수명 이전에 파손이 발생함을 의미합니다.
마이너 법칙의 손상 막대
손상 D = 설계 수명 / 예측 수명
손상 막대에는 다음이 표시됩니다.
• 녹색 영역: 손상 < 1 - 설계 수명 기준에서 안전함
• 주황색 파선: 손상 = 1 - 임계값
• 빨간색 영역: 손상 >1 - 설계 수명 이전에 파손이 발생함
• 표시된 예: D = 1.67 - 안전하지 않음(허용된 것보다 빠르게 수명이 소모됨)
손상 막대는 다음과 같이 해석할 수 있습니다.
• 막대가 임계값 선 이전에서 끝나면 설계 수명을 만족합니다.
• 막대가 임계값 선을 넘으면 하중을 줄이거나 재설계하지 않는 한 목표 수명 이전에 파손이 발생할 것으로 예상됩니다.
피로 수명
이 결과는 지정된 하중에서 모델이 견딜 수 있는 예측 주기 수를 나타냅니다.
이 결과는 다음과 같이 해석할 수 있습니다.
일정 진폭 하중의 경우 - 피로 수명 값은 파손까지의 주기 수를 의미합니다.
변수 또는 블록 하중의 경우 - 피로 수명 값은 파손까지의 하중 블록 수(또는 이에 상응하는 주기 수)를 나타냅니다.
수명이 높을수록 피로 성능이 우수합니다.
안전율
이는 컴포넌트가 피로 파손에 얼마나 가까운지를 나타내는 척도입니다. 또한 피로 파손이 발생하기 전에 하중을 얼마나 증가시킬 수 있는지를 의미합니다.
안전율 = 허용 피로 강도 / 적용된 반복 응력
안전율 SF
안전율 게이지에는 다음이 표시됩니다.
• 빨간색: SF < 1 - 안전하지 않음
• 노란색: 1 ≤ SF < 2 - 경계 수준 상태
• 녹색: SF ≥ 2 - 안전 여유가 충분함
• 파란색 마커: 예: SF = 1.6 - 주의 필요, 요구 조건이 2 이상인 경우 개선을 고려해야 함
안전율 게이지는 다음과 같이 해석할 수 있습니다.
• SF < 1 - 강도를 높이거나 반복 응력을 줄여야 합니다.
• SF ≈ 1 - 컴포넌트가 매우 작은 여유로 설계 수명 목표를 충족합니다.
• SF ≫ 1 - 여유가 클수록 컴포넌트의 안전성이 높습니다.
 | Creo Ansys Simulation은 표시 가능한 최대 안전율을 15(매우 안전함)로 제한합니다. |
요약 - 피로 결과에 대한 빠른 참조
결과 수량 | 결과가 나타내는 의미 | 이 결과를 해석하는 방법 |
|---|---|---|
등가 교번 응력(EAS) | S–N 곡선 참조에 사용되는 최종 응력 진폭 다축 및 평균 응력 효과 포함 | EAS가 높을수록 피로 수명은 낮아짐 값이 매우 높은 경우, 평균 응력이 허용 한계를 초과했음을 의미함 |
피로 손상 | 소비된 수명의 비율 | 손상 > 1인 경우, 설계 수명 이전에 파손이 발생함 |
피로 수명 | 파손까지의 예측 주기(또는 블록) | 수명이 높을수록 내구성이 우수함 |
안전율 | 피로 파손에 대한 안전 여유 |
피로 설계에서 적절한 평균 응력 보정 선택
제로 또는 비율 유형의 하중에 대한 피로 거동을 정의할 때 사용할 평균 응력 이론을 선택할 수 있습니다. 모델마다 보수성의 정도가 다르므로 적절한 평균 응력 보정을 선택하는 것이 중요합니다. 이 가이드는 재료 거동, 위험 수용 및 적용 분야에 따라 적절한 평균 응력 이론을 선택하는 데 도움을 줍니다.
안전 영역과 비안전 영역을 포함한 Goodman + Gerber 다이어그램
다음 그림은 Goodman 및 Gerber 기준이 교번 응력과 평균 응력 값을 기반으로 평균 응력 보정을 적용하는 방식을 보여줍니다.
다이어그램에는 다음 항목이 포함됩니다.
• 파란색 선: Goodman 선 (σₐ/Se + σₘ/Sut = 1)
• 파선 포물선: Gerber 선 σₐ = Se (1−(Sut / σₘ)2))
• 빨간색 점: 작용하는 응력 상태(평균 응력 σₘ, 교번 응력 σₐ)
• 녹색 화살표 + σₘ=0에서의 녹색 점: S-N 곡선 조회에 사용되는 등가 완전 반전 진폭(σₐ, eq)
다이어그램은 다음과 같이 해석할 수 있습니다.
• 평균 응력(σₘ)이 높을수록 허용 가능한 교번 응력이 감소합니다.
• 등가 교번 응력(σₐ,eq)은 내구 한도 S–N 곡선과 비교하는 데 사용되는 값입니다.
다음 표에서는 Goodman 및 Gerber 평균 응력 이론 간의 비교를 보여줍니다.
평균 응력 이론 | Goodman 기준 | Gerber 기준 |
|---|---|---|
개요 | 중간 보수성 산업 전반에서 널리 사용됨 안전성과 경제성의 균형이 필요하고 하중 조건이 잘 정의된 경우 Goodman 기준을 사용하는 것이 적합함(기계 요소에서 일반적으로 사용됨) | 가장 낮은 보수성 연성 강철 거동에 가장 잘 부합함 재료가 품질 관리가 잘 이루어진 연성 강철이며, 높은 인장 평균 응력 조건에서 경량화 및 최적화 설계가 필요한 경우 Gerber 기준을 사용하는 것이 적합함 |
방정식 |  여기서 각 항목은 다음을 나타냅니다. σa - 교번 응력 σm - 평균 응력 Se - 내구 한도 Sut - 극한 장력 |  여기서 각 항목은 다음을 나타냅니다. σa - 교번 응력 σm - 평균 응력 Se - 내구 한도 Sut - 극한 장력 |
일반적인 적용 분야 | • 회전 샤프트 • 기어 날 • 용접된 부품 • 기계 요소 전반 • 자동차 구조물 | • 자동차 경량화 부품 • 성능 중심으로 설계된 회전 기계 • 신뢰성 데이터가 높은 철강 부품 • 안전 중요도가 낮은 소비자용 기계 |
장점 | 단순함 합리적인 보수성 대부분의 금속에 잘 적용됨 | 연성 강철의 실험적 피로 곡선에 가장 잘 부합함 허용 응력을 보다 현실적으로 평가함 최적화 및 경량 설계에 자주 사용됨 |
단점 | 여전히 선형 근사 모델임(연성 강철에서는 지나치게 보수적일 수 있음) 연성 강철의 실제 파손 거동을 Gerber 기준만큼 정확히 반영하지 못함 | 취성 재료에는 적합하지 않음 파손 결과가 심각한 경우에는 부적합함 많은 안전 중요 설계 코드에서 채택되지 않음 |
빠른 결정 테이블
시나리오/요구 사항 | 최적의 방법 | 이유 |
|---|---|---|
높은 안전성/인적 위험 | Soderberg | 항복을 방지하며 매우 보수적임 |
범용 기계 설계 | Goodman | 균형 잡혀 있으며 널리 사용됨 |
최적화된 경량 금속 부품 | Gerber | 연성 강철의 피로 거동에 가장 잘 부합함 |
매우 불확실한 하중 | Soderberg | 오차 여유가 커서 더 안전함 |
인장 평균 응력이 알려진 경우 | Gerber | 포물선 곡선이 강철 거동과 잘 일치함 |
규제 승인 필요 | Goodman 또는 Soderberg | 대부분의 표준에서 정의되어 있음 |
취성 재료 | Goodman | Gerber 기준은 취성 거동에 적합하지 않음 |
| | Soderberg 평균 응력 이론은 아직 사용할 수 없지만 향후 릴리즈에서 제공될 예정이며, 비교를 위해 포함되었습니다. |
절대 금지 규칙
• 취성 재료(주철, 세라믹)에는 Gerber 기준을 사용하지 마십시오.
• 중량 최적화가 필요한 컴포넌트에는 Soderberg 기준을 사용하지 마십시오(Soderberg는 설계를 지나치게 구속할 수 있음).
• 모든 기준이 유사한 결과를 낸다고 가정하지 마십시오. 특히 높은 평균 응력 영역에서는 결과가 크게 달라질 수 있습니다.