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피로해석 (fatigue analysis)

반복적인 동하중을 받는 물체는 하중 그 자체의 크기가 항복응력(yield stress)에 미치지 않더라도 어느 정도 하중을 반복해서 받게 되면 파괴에 도달할 수 있다. 이러한 파괴를 피로파괴(fatigue failure)라고 부르며, 피로를 일으키는 반복회수를 피로수명(fatigue life)으로 정의하고 있다.

피로수명을 예측하는 방법에는 마이너 누적손상법칙(Minor cumulative damage rule), Mansion 방법(Mansion method), Goodman의 피로방정식(Goodman fatigue equation) 그리고 Soderberg 관계식(Soderberg relation)이 대표적이다. 동하중이 삼각함수와 같이 단순한 주기를 나타내는 경우에는 Goodman의 피로방정식을 통해 간단히 피로파괴 여부를 판단할 수 있지만, 그렇지 않고 복잡한 주기를 나타내는 경우에는 마이너 누적손상법칙을 사용해야 한다. 한편 피로기준으로 항복응력(yield stress)에 보다 관심이 있다면 Soderberg 관계식을 사용하면 된다.

일반적으로 피로해석이라 함은 동하중을 받는 물체의 피로수명(fatigue life)을 예측하는 작업을 의미한다. 우리 생활이나 산업체에서 사용되고 있는 대부분의 제품, 구조물 및 시스템에 작용하는 동하중은 매우 복잡한 하중 싸이클을 나타내기 때문에 이에 따른 물체 내부의 응력변동(stress variation)을 이론적으로 계산하기가 힘들다.

따라서 피로수명을 예측하기 위해서는 해당 물체에 작용하는 싸이클 하중에 따른 응력변동을 구해야 하며 이를 위해 유한요소해석이 필요하게 된다. 한 주기동안 물체 내부의 응력변동을 구한다음 여러 개의 주기를 가진 응력 싸이클로 분리하고 각 응력 싸이클에 대한 데이터를 토대로 마이너 누적손상법칙과 해당물체의 S-N 선도(S-N diagram) 혹은 E-N 선도(E-N diagram)를 혼합 적용하여 피로수명을 예측하게 된다.

피로해석은 유한요소해석에 있어 하나의 후처리 작업(post processing)에 해당되고, 피로해석 프로그램이란 다름아닌 이 후처리 기능과 다양한 재질에 대한 S-N 선도 데이터를 제공하는 프로그램이다. 

                        

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