[CAE] 피로 해석에서 ‘Life’, ‘Damage’ 및 ‘Load Factor’의 정의는 무엇인가요?

다음은 피로 해석 결과에 대한 정의입니다.

● 수명(Life) 플롯: 각 위치에서 피로 파손을 일으키는 사이클 수를 나타냅니다. 이 플롯은 S-N 곡선과 각 위치의 교번 응력을 기반으로 합니다.

● 손상(Damage) 플롯: 각 노드에서 누적 손상 계수를 플로팅합니다. 예를 들어, 특정 노드에서 값이 0.5이면 해당 노드에서 정의된 이벤트가 모델 수명의 50%를 소비했음을 의미합니다.

● 하중 계수(Load Factor) 플롯: 각 위치에서 피로 파손을 유발하는 하중 계수(LF)를 표시합니다. 예를 들어, 특정 위치에서 하중 계수가 3.5라면, 정적 해석에서 정의된 모든 하중을 3.5배 증가시키면 해당 위치에서 피로 파손이 발생함을 의미합니다.

피로 해석 결과에 대한 자세한 정의는 SOLIDWORKS Simulation 온라인 도움말을 참고하세요.

이 값들의 의미를 이해하는 데 도움이 되도록 그림 1을 참고하십시오.

이 이미지에서 빨간색 곡선은 재료의 S/N 곡선(Wöhler 곡선)입니다.

이 예제는 모델의 특정 노드에 초점을 맞추고 있습니다. 정적 해석을 실행한 결과, 해당 노드의 응력 값이 도출되었습니다. 이 응력 값은 (이벤트 정의에서의 하중 비율을 기반으로) 교번 응력 Σ에 해당합니다. 이 정적 해석이 유일하게 정의된 피로 이벤트입니다. 이 이벤트는 특정 횟수(N)만큼 발생하도록 지정되었습니다. Σ 및 N 값을 기반으로 그래프에서 파란색 점을 표시할 수 있습니다.

이 점은 일반적으로 S/N 곡선 위에 나타나지 않습니다. 만약 점이 곡선 위에 있다면, 해당 위치에서 피로 파손이 발생할 것이라고 애플리케이션이 예측합니다. 만약 점이 곡선 아래에 있다면, 해당 위치에서 피로 파손이 발생하지 않을 것이라고 애플리케이션이 예측합니다.

수평 Σ 선에서, S/N 곡선과의 교차점으로부터 ∆N 오프셋을 도출할 수 있습니다.

수직 N 선에서, S/N 곡선과의 교차점으로부터 ∆Σ 오프셋을 도출할 수 있습니다.

고려 사항

▶ 모델 내에서 가장 높은 보정된 교번 응력이 S/N 곡선의 응력 범위 내에 있는 것이 중요합니다.

▶ 같은 이유로, 각 이벤트의 사이클 수가 S/N 곡선의 사이클 범위 내에 있어야 합니다.

▶ 위의 조건이 충족되지 않는 경우, 프로그램은 곡선의 보간을 수행하지 않습니다.

▶ 교차점 대신, 프로그램은 곡선의 끝점을 사용합니다.

추가 사항

특정 재료에 대해 여러 개의 S/N 곡선(다른 응력 비율에 대한 곡선)이 정의되어 있다면?

▶ QA00000105005 - 피로 연구에서 소프트웨어가 재료의 S-N 곡선 간 보간을 수행하는 방식

여러 개의 이벤트가 정의되어 있다면?

▶ QA00000105004 - 피로 연구에서 랜덤 상호작용(최악의 시나리오)이 다중 이벤트의 경우에 어떻게 작동하는가?

여러 이벤트가 있을 때 교번 응력과 응력 조합이 어떻게 계산되는가?

▶ QA00000107941 - 피로 해석에서 다중 이벤트가 있을 경우 교번 응력과 응력 조합이 계산되는 방식

수명(Life)

고려된 노드에서의 수명은 파손을 일으키는 사이클 수입니다. 이는 그래프에서 수평 Σ 선과 S/N 곡선의 교차점에 해당합니다. 따라서, Life = N - ∆N 입니다.

참고 사항:

● 수명(Life) 플롯은 피로 해석에서 단일 이벤트를 정의한 경우에만 사용할 수 있습니다.

▶ 단일 이벤트의 경우, 플롯은 해당 노드에서 프로그램이 예측하는 파손을 일으키는 그 이벤트의 사이클 수를 제공합니다.

▶ 두 개의 이벤트(예: Event1과 Event2)가 있는 경우, 파손을 일으키는 단일한 이벤트 수는 존재하지 않습니다.

- 실제로, Event1과 Event2의 사이클 수의 다양한 조합에서 파손이 발생할 수 있습니다.

- 한쪽 극단에서는 Event1의 사이클 수가 N1이고 Event2가 0 사이클일 때 파손이 발생할 수 있습니다.

- 반대쪽 극단에서는 Event1이 0 사이클이고 Event2가 N2 사이클일 때 파손이 발생할 수 있습니다.

- 그 사이의 모든 조합이 가능한 결과입니다.

- 따라서 프로그램은 두 개 이상의 이벤트가 존재할 경우 수명 결과를 제공할 수 없습니다.

●  Figure 2에서, 수명 값은 이벤트에 대해 정의된 사이클 수와 완전히 독립적입니다.

▶ 수명은 각 노드의 응력 값과 S-N 곡선에만 의존합니다.

▶ 따라서 이벤트의 사이클 수를 변경해도 수명(Life) 플롯은 변하지 않습니다.

▶ 그러나 손상(Damage) 플롯에는 영향을 미칠 수 있습니다.

●  모델에서 보정된 교번 응력이 S-N 곡선의 마지막 점의 응력 수준보다 낮은 경우

▶ 프로그램은 S-N 곡선의 마지막 점에서 정의된 사이클 수를 사용합니다.

▶ 단, 피로 해석 속성에서 무한 수명(Infinite Life) 옵션을 정의하고 활성화한 경우는 예외입니다.

●  이벤트가 변수 진폭(Variable Amplitude) 이벤트인 경우(일정 진폭이 아닌 경우),

▶ 피로 해석에서 제공하는 수명 결과는 **사이클(cycles)**이 아니라 블록(blocks) 단위로 제공됩니다.

▶ 여기서 블록은 사용자가 지정한 전체 하중 이력(곡선에서 이벤트의 반복 횟수 포함)을 의미합니다.

손상(Damage)

고려된 노드에서의 손상은 소비된 수명의 백분율입니다. 이는 고려된 사이클 수(N)와 수명(Life = N - ∆N)의 비율입니다. 따라서,

Damage = N / (N - ∆N)

SOLIDWORKS Simulation 2010부터, 손상(Damage) 플롯은 "손상 백분율(Damage Percentage)" 라벨을 가지며, 손상 플롯에서 값이 분수 대신 백분율(%)로 표시됩니다. 따라서 표시되는 값은 다음과 같이 해석됩니다:

100 × N / (N - ∆N) %

참고:

모델에서 보정된 교번 응력이 S-N 곡선의 마지막 점의 응력 수준보다 낮은 경우, 프로그램은 수명을 S-N 곡선의 마지막 점에서 정의된 사이클 수로 설정합니다.

이는 Infinite Life(무한 수명) 옵션을 피로 해석 속성에서 정의하고 활성화하지 않은 경우에 해당합니다.

따라서, S-N 곡선과 비교하여 응력 수준이 너무 낮은 노드에 대해, 프로그램은 S-N 곡선의 마지막 점에서 정의된 사이클 수 또는 Infinite Life 옵션을 사용하여 손상을 계산합니다.

하중 계수(Load Factor)

고려된 노드에서의 하중 계수(LF)는 정확히 피로 파손을 일으키는 응력과 해당 노드의 응력(Sigma)의 비율입니다.

정확히 피로 파손을 일으키는 응력은 그래프에서 수직 N 선과 S/N 곡선의 교차점에 해당합니다. 따라서,

LF = (Sigma - ∆Sigma) / Sigma

그림 4

참고 사항:

●  하중 계수(Load Factor) 플롯은 피로 해석에서 단일 이벤트를 정의한 경우에만 사용할 수 있습니다.

●  SOLIDWORKS Simulation 2010 및 이전 버전에서는, 하중 계수 결과가 "안전 계수(Factor of Safety)" 라벨로 표시되었습니다.