연구 분야
설비 신뢰성평가연구실
탄소성 해석 기반 저주기 피로 평가
설계 기준을 초과하는 초대형 지진 하 원자력 발전소 배관에 대한 건전성 확보가 요구되고 있다. 이를 위해 기존 탄성 해석 기반을 넘어선 탄소성 해석 기반 저주기 피로 평가 방법이 필요하다. 지진 하중과 같이 반복되는 하중 하에서 유한요소 탄소성 해석이 적절히 수행되기 위해서는
반복하중 하에서 발생하는 재료경화를 적절히 반영하는 재료 물성 모델이 필요하다. 현재 가장 간단한 Bi-linear 이동경화 모델에서부터 Chaboche 복합경화 모델까지 다양한 재료경화 모델이 연구되고 있다. 또한 수행된 해석 결과를 이용하여 다양한 변형률 기반 저주기 피로 평가 방법을 실제 실험 결과에 적용하여 보수성을 검토하고 있다. 미국 EPRI 사와의 협력을 통해 미국 기계학회에서 발행하는 저주기 피로 평가에 대한 코드 케이스 개정에 관한 연구를 수행중이다.
<Bi-linear재료 경화 모델>
<유한요소 Dynamic 해석 결과>
<유한요소 해석 결과 - 최대 소성변형 발생위치>
<평가법에 따른 손상 예측 정확도 비교>
[1] Lee, Jong-Min, Kim, Yun-Jae and Kim, Jin-Weon. “Very low cycle fatigue life evaluation models and validation using notched compact tension test data.” International Journal of Fatigue Vol. 155 No. 2 (2022): 106635. https://doi.org/10.1016/J.IJFATIGUE.2021.106635.
[2] Lee, Jong-Min, Kim, Yun-Jae, Song, Hyun-Seok and Kim, Jin-Weon. “VERY LOW CYCLE FATIGUE EVALUATION OF PIPE ELBOW AND EXPERIMENTAL VALIDATIONS: I-QUASI-STATIC CYCLIC LOADING TEST.” Proceedings of the ASME PVP (2023): PVP2023-106549. https://doi.org/10.1115/PVP2023-106549
[3] Hong, Jin-Nye, Kim, Jin-Weon, Lee, Dae-Young, Lee, Jong-Min and Kim, Yun-Jae. “Very low-cycle fatigue failure behaviours of pipe elbows under displacement-controlled cyclic loading.” Thin-Walled Structures Vol. 193 No. 12 (2023): 111261. https://doi.org/10.1016/j.tws.2023.111261.
열피로 안전여유도 평가 기술 개발
소형모듈원전 (SMR)의 경우 일체형 제작 및 조밀 배치와 설계수명의 증가, 탄력운전의 적용으로 열하중의 크기와 횟수가 증가하게 된다. SMR 설계 시 기존 대형원전 설계에 적용되는 설계코드 기반 피로평가법을 사용한 상세설계 시 충분한 설계여유도 확보가 어렵다. 따라서 설계코드에 따른 열피로 손상평가를 진행하기 위해 추가 설계 여유도를 확보하는 것이 필요하다.
본 연구에서는 설계코드 기반 열피로 평가 방법과 절차에 적용할 수 있는 대체 평가 방법을 제시함으로써, 추가 설계 여유도를 확보하려 한다. 또한 상세 손상해석 기반 최적 열피로 손상평가 기법을 개발하여 최적 열피로 평가법을 제시하려고 한다.
설계코드 기반 열피로 평가 방법의 개선 방안과 손상해석 기반 최적 열피로 평가 기법을 도출하기 위해서는 수치적 해석뿐 아니라 실험 데이터를 활용한 검증이 필요하다. 이를 위해 조선대학교와 협력하여 열피로 손상 실험을 통해 제시한 평가 방법을 비교, 검증하여 신뢰성을 확보하기 위한 업무를 수행하고 있다.
<SMR 일체형 설계>
<열피로 실험장치 구성 개념도>
<설계코드 기반 피로평가법의 보수성 개선>
[1] ERPI, Development of an alternative approach to ASME code simplified elastic-plastic analysis, EPRI TR- 3002014122, 2018
유한요소해석을 이용한 시험 복합 수소 배관 / 저장용기 평가기법
친환경을 향한 국제사회의 요구에 따라 최근 수소에너지에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있고 수소사회 인프라 (배관이나 용기 등) 에 대한 건전성 평가에 대한 요구도 급격히 늘어나고 있다. 친환경성과 대비하여 수소는 구조물의 연성(ductility) 과 인성(toughness)를 저하시키는 수소취화를 발생시키기에 수소 환경의 건전성 평가를 위해서는 수소취화를 고려한 평가법이 필수적이다. 그러나 수소환경 시험은 안전을 위한 거대한 시험설비와 이에 따른 경제적 비효율성을 수반한다. 이에 따라, 최소한의 시험과 이를 활용한 효율적인 평가방법을 구축하는 것이 필요하다. 이를 위해 유한요소해석을 이용하는 수소취화 평가기법을 개발하고 있다.
연구 1. 수소취화 정량화 기법
연구 2. 수소확산 해석기법
[1] Youn G-G, Kim Y-J, Kim J-S, Lam P-S. A Fracture Strain Based Numerical Prediction Method For Hydrogen Effect on Fracture Toughness. Int J Mech Sci 2021;202–203:106492.
[2] Seo K-W, Hwang J-H, Kim Y-J, Kim K-S, Lam P-S. Fracture toughness prediction of hydrogen-embrittled materials using small punch test data in Hydrogen. Int J Mech Sci 2022;225:107371. https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2022.107371.
[3] Seo K-W, Kim Y-J, Hwang J-H, Kim K-S. Finite element simulation method for combined Ductile-Brittle fracture of small punch test in hydrogen. Eng Fract Mech 2023;289:109489. https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2023.109489.
[4] Hwang J-H, Seo K-W, Kim Y-J, Kim K-S. Fracture-toughness estimation from small-punch test in hydrogen exhibiting ductile and ductile–brittle fracture modes. Eur J Mech A Solids 2024;103:105193. https://doi.org/10.1016/j.euromechsol.2023.105193.
사용후핵연료 건식저장용기의 낙하해석 및 파괴역학 평가
원자력 발전소의 사용후핵연료의 운반과 저장을 위해 국내에서 개발된 건식저장용기인 KORAD-21 모델은 사용후핵연료를 둘러싼 캐니스터, 캐스크, 충격완충체 등으로 구성되어 있으며, 원자력안전위원회고시에서 제시하는 가상사고 낙하 시나리오에 대해 안전성이 검증되어야 한다. 원자력안전위원회고시에서 규정하는 가상사고 조건에는 자유낙하, 파열낙하, 화재에 노출 등이 있으며[1], 다양한 낙하를 모사하기 위해 유한요소해석을 수행한다. 건식저장용기를 구성하는 캐니스터와 내부구조물은 스테인리스강으로 설계되어 있으며, 스테인리스강은 변형률 속도에 따라 거동이 달라지는 특징이 있다. 낙하해석에서 스테인리스강 재료의 변형률 속도 영향을 반영하기 위해 Johnson-Cook 경화 모델을 사용하며[2], 응력과 변형률 결과를 분석하여 낙하 시 파손 위치를 예측한다.
<Strain rate에 따른 TP316 재료 물성>
<9m 자유 수평 낙하>
파손 예측 위치에서 원주 및 축 방향 외부표면 균열을 가정하여 파괴역학해석 평가 수행한다.[3]
[1] Nuclear Safety and Security Commission, 2021, Notice, No. 2021-2, "Regulations on the packaging and transport of radioactive material”
[2] Kim, H. T., Seo, J. M., Seo, K. W., Yoon, S. H., Kim, Y. J., Oh, C. Y., 2021, “Effect of Strain-Rate Dependent Hardening on Canister Stress and Strain in a Free Drop Simulation of Spent Nuclear Fuel Dry Storage”, The Korean Society of Mechanical Engineers, p. 108
[3] Jeong, J. Y., Kim, C. H., Kim, H. T., Kim, J. H., & Kim, Y. J., 2023, “Fracture mechanics analysis of multipurpose canister for spent nuclear fuels under horizontal/oblique drop accidents”, Nuclear Engineering and Technology, 55(12), 4647-4658.
유한요소 구조해석을 적용한 배관 설계 기법 개발 및 DX 구축
에어컨 제품 개발에 있어서 배관 설계를 위한 다양한 실험이 요구되지만 이는 많은 시간과 비용이 필요로 하기에 유한요소해석을 통한 VPD(Virtual Product Development)를 활용하는 것이 유용하다. 3차원 유한요소해석 모델은 복잡한 에어컨 배관 구조 및 형상에 의해 상당한 시간이 소요되므로 1차원 유한요소해석 모델을 이용한다면 보다 간편하고 빠른 시일 내에 응력 분석이 가능하여 효율적인 배관설계가 가능하다.
본 연구에서는 1차원 유한요소해석으로 도출한 하중을 이용하여 간단하게 응력 평가를 수행할 수 있는 응력 평가식이 제시되었다. 제시한 평가식과 1차원 유한요소해석을 적용하여 다양한 배관 형상 및 하중 조건을 고려한 해석을 효율적으로 수행할 수 있고 배관계에 작용하는 응력에 대한 다양한 인자를 고려할 수 있다. 최종적으로 응력평가를 위한 Plug-in 모듈을 기존의 LG전자 에어솔루션 연구소에서 사용중인 해석 프로그램(NX Nastran)과 연계하여 현업자들도 쉽게 응력평가가 가능해 배관 설계에 필요한 재료비, 실험비 등 다양한 비용 절감 효과를 기대해 볼 수 있다.
실험과 해석을 통한 솔더 조인트의 저주기 열피로 수명 평가
솔더 조인트는 메모리 모듈에서 부품간 접합을 위해 사용되는 소재로 주로 데이터센터, 개인 PC, 전자제품, 전장부품 및 항공부품 등 다양한 분야에 활용되고 있다. 솔더 조인트의 개발 초기에는 납(Pb) 이 포함된 재료가 사용되었으나 최근에는 환경 규제와 더불어 탄소 배출 저감의 조건을 만족하기 위해 SnAgCu 솔더볼에 녹는점이 낮은 Bismuth 가 포함된 솔더 페이스트를 결합해 만드는 하이브리드 솔더에 대한 많은 연구가 수행되었다. 그러나 여러 연구 결과에서 하이브리드 솔더 조인트에 사용되는 재료가 열피로와 충격 신뢰성이 취약하다는 결과를 제시하였다.
본 연구에서는 솔더 조인트 재료의 열피로 실험을 수행하였다. 이후 메모리 모듈의 유한요소해석 수행 시 열피로 실험 환경 구현을 위해 열전달해석과 구조해석을 연계한 Uncoupled thermo-mechanical 해석을 진행하였다. 소성 변형률 기반 Engelmaier 피로 수명 모델을 통해 실험 결과와 유한요소해석으로 도출된 예측 수명 결과를 비교하였다. 또한 에너지 기반 Darveaux 피로 수명 모델을 바탕으로 하이브리드 솔더 조인트와 기존 솔더 조인트에 대한 피로 수명 재료 상수를 결정하였고 기존 문헌과의 피로 수명 상수 비교를 진행하였다.
[1] Park, Geun-Je, et al. "Comparison of thermal-fatigue lives of conventional and hybrid solder joints: Experiment and FE analysis." Engineering Failure Analysis 157 (2024): 107907.