[Simcenter 3D] 인양 구조물 용접부 안정성 검토 방법

 

Lifting Lug 용접부 구조해석

해석 목적

 - 중량물 취급 시 사용되는 Lifting Lug 구조물에 대해 용접부(Weld)의 구조적 안전성을 검토하기 위해 선형 정적 구조해석을 수행합니다.

 - 특히 용접부는 연성이 낮고 균열에 취약한 특성을 가지므로 최대 전단응력(Von Mises) 대신 최대 주응력(Maximum Principal Stress) 기준을 적용합니다.

1. 최대 전단응력 기준 – Von Mises Stress

개념

Von Mises 응력은 재료 내부의 전단 변형 에너지를 기반으로 한 항복 기준입니다. 다축 응력 상태를 단일 등가 응력으로 환산하여, 단축 인장 시험 결과와 비교합니다.

적용 대상

• 연성 재료 (Steel, Aluminum 등)

• 항복 → 소성 변형이 주요 파손 메커니즘인 경우

2. 최대 주응력 기준 – Maximum Principal Stress

개념

최대 주응력 이론은 재료에 발생하는 가장 큰 인장 주응력이 재료의 인장 강도를 초과하면 파손이 발생한다고 가정합니다.

적용 대상

• 취성 재료

• 용접부, 주조물, 세라믹

해석 모델

해석 대상 구성

• Lug

• Weld

• Middle Plate

• Base Plate

해석 Case 정의

Case 1 – 사선 하중

Case 2 – 수직 하중

이론 계산

Case1

a=240mm, b=50mm, L1=20mm, F=106kN, V=106kN  t=20*0.707=14.14mm

A = (a+b) × 2 × t = 8201mm^2

σ_x=F/A=12.93MPa, σ_y=0MPa, τ_xy=F/A=12.93MPa

σ_max=  (σ_x+σ_y)/2+√(((σ_x-σ_y)/2)^2+〖τ_xy〗^2 )=20.9MPa

따라서 용접부의 수직응력의 이론값은 20.9MPa입니다.

Case2

a=240mm, b=50mm, L1=20mm, F=300kN,  t=20*0.707=14.14mm

A = (a+b) × 2 × t = 8201〖mm〗^2

 

따라서 용접부의 수직응력의 이론값은 36.6MPa입니다.

메쉬 및 물성

메쉬 설정

Weld / Lug / Middle: 5 mm

Base: 4 mm

용접부 응력 집중을 고려한 비교적 조밀한 메쉬 적용합니다.

물성 데이터

경계조건 정의

접촉 조건 및 구속 조건

Gluing 조건: Lug ↔ Weld, Weld ↔ Middle, Middle ↔ Base

Fixed 조건: Base 하부면 전체 노드 완전 구속(Fixed)합니다.

하중조건(Case1)

하중 위치: 구멍의 면을 spider로 연결한 구멍 중앙의 노드

하중 크기: 각각106.1 kN

적용 방향: –X + –Y 방향 동시 적용합니다.

하중조건(Case2)

하중 위치: 구멍의 면을 spider로 연결한 구멍 중앙의 노드

하중 크기: 300 kN

적용 방향: –X 방향 단독 적용합니다.

해석 결과

Lug: 구멍 주변 국부 응력 집중 확인 됩니다.

Middle & Base: 구조 전달 응력은 상대적으로 낮습니다.

전체 구조는 탄성 범위 내 거동합니다.

용접부 응력

최대 주응력(Case1) ≈ 30 MPa

최대 주응력(Case2) ≈ 40 MPa

응력은 주로 용접 토우(Toes) 부근에 집중 됩니다.

고찰

 본 해석에서는 SOL101 기반의 선형 정적 구조해석을 통해 Lifting Lug 용접부에 작용하는 응력 상태를 평가하였습니다.

해석 대상 구조는 인양 하중이 반복적으로 전달되는 구조물로, 특히 용접부는 균열 발생에 취약한 영역이므로 응력 평가의 신뢰성이 중요합니다.

 해석 결과, 최대 주응력 기준으로 평가한 용접부 응력은 Case 1에서 약 30 MPa, Case 2에서 약 40 MPa 수준으로 나타났습니다.

두 하중 조건 모두에서 응력은 용접부 토우(Toes) 및 하중 전달 경로 상에서 국부적으로 집중되었으며, 이는 구조적 형상과 하중 방향을 고려할 때 타당한 결과로 판단된다.

 이론 계산을 통해 산출한 용접부 수직응력과 비교한 결과, 절대값에는 다소 차이가 있으나 하중 증가에 따른 응력 증가 경향은 해석 결과와 일관되게 나타났습니다.

 이는 단순 이론식이 반영하지 못하는 3차원 응력 상태, 응력 집중 효과, 그리고 실제 하중 전달 방식이 유한요소해석에서는 보다 현실적으로 고려되었기 때문으로 해석됩니다.

 또한 본 해석에서는 Von Mises 응력이 아닌 최대 주응력(Maximum Principal Stress) 기준을 적용함으로써, 용접부와 같이 취성 거동 및 균열 발생이 지배적인 부위의 파손 가능성을 보다 보수적으로 평가할 수 있었습니다.

그 결과, 두 하중 조건 모두에서 구조적 위험 수준은 설계 허용 범위 내에 있는 것으로 판단됩니다.

다만 본 해석은 선형 정적 조건을 기반으로 수행되었기 때문에, 실제 운용 환경에서 발생할 수 있는 반복 인양 하중, 충격 하중, 또는 비선형 접촉 효과는 고려되지 않았습니다.

 따라서 향후 설계 신뢰도를 더욱 높이기 위한 피로 해석(Fatigue Analysis)이나 재료 및 접촉 비선형성을 포함한 비선형 구조해석의 방법도 있습니다.