Non-linear Structural Behavior Assessment Lab
Non-linear Structural Behavior Assessment Lab
 연구활동 Non-linear Structural Behavior Assessment Lab
연구 분야소개 (Non-linear Structural Behavior Assessment Lab)
우리는 고급 전산해석 기법을 활용하여 고온 재료 및 구조물의 건전성을 평가합니다. 영국 Glasgow에 소재한 Strathclyde 대학교 SILA (Structural Integrity and Lifetime Assesment) 연구그룹과 함께 수년간 각 연구 분야에서 많은 과제를 해결하기 위해 수치해석 기법을 개발해오고 있습니다. Linear Matching Method (LMM)를 기반으로 하는 수치해석 기법은 재료 및 구조물의 반복 소성 거동 (Cyclic Plastic Behaviour)을 해석하고, 고온 크리프-피로 상호작용을 고려한 구조물의 손상 및 기대수명을 평가합니다.
연구내용 상세
Limit load assessment
구조물의 소성 붕괴를 정확하게 계산하기 위하여 셰이크다운 이론을 기반으로 한 수치해석 방법이 개발되었습니다. 이러한 해석 방법은 파이프 또는 압력 용기 설계와 같은 여러 산업 응용 분야에서 널리 채택되어 사용 중이며, 영국의 원자력 발전소 설계평가 절차서 (The R5 Procedure)는 동 해석방법을 사용한 구조물의 소성 붕괴 예측평가 결과의 신뢰성을 인정하고 있습니다.
Shakedown limits assessment
선형 셰이크다운 (Elastic Shakedown) 및 소성 셰이크다운 (Plastic Shakedown) 한계에 대한 효율적이고 정확한 평가는 LMM 수치해석 방법의 핵심 기능입니다. 임의의 주기적 하중이 작용하는 복잡한 구조물의 응답성을 평가할 수 있으며 상한(Upper Bound) 및 하한 (Lower Bound) 한계를 제공합니다. Kinematic Hardening을 고려한 셰이크다운 한계를 해석하는 방법을 연구합니다.
Low-Cycle Fatigue damage assessment
구조물의 저주기피로 (Low-Cycle Fatigue) 수명은 구조의 반복 소성 응답을 이해함으로써 평가될 수 있습니다. SILA 연구그룹이 개발한 DSCA (Direct Steady State Cyclic Analysis)를 활용하여 연구를 수행합니다. 열 & 기계 부하가 복잡하게 작용하는 구조물의 응답성을 효율적이고 정확하게 해석합니다.
Creep Rupture Limit assessment
LMM을 활용한 셰이크다운 한계 해석기법을 확장하여 구조물의 크리프 파손한계를 해석하는 방법을 개발하였습니다. 해석된 결과는 일반적으로 산업체에서 사용 중인 고온 구조물 수명평가 방법보다 더 정확한 수명을 예측하는 것으로 확인되었습니다.
Creep-Fatigue damage assessment
​​DSCA를 확장 개발한 eDSCA 수치해석 기법은 고온 재료의 크리프 거동을 고려한 구조물의 반복 소성 거동을 해석합니다. ASME NH, RCC-MR, R5에서 사용 중인 크리프-피로 손상평가 방법을 eDSCA에 적용하여, 복잡한 고온 사중조건이 작용하는 구조물의 수명을 효과적이고 정확하게 예측할 수 있습니다.
Real Components Studies
우리 연구그룹은 SILA 연구그룹과 오랜 연구 교류를 바탕으로 다양한 산학 협력과제 및 결과물을 공유하고 있습니다. 또한, 영국 EDF 에너지 설계평가 컨설팅 회사 EASL UK 와 산학 협력을 통하여 영국내 원전에서 발생하는 실증 문제들을 공유하고 기술적인 해결책을 함께 고안합니다.
Metal Matrix Composite Studies
미래형 고온 재료로 주목받는 Metal Matrix Composite (MMC) 재료를 전산수치해석 모델로 구현합니다. 복합재의 크기, 형상, 체적, 배열 등에 대한 MMC의 강도를 평가합니다. 또한, 복잡한 반복하중이 작용하는 MMC의 반복 소성 거동 및 크리프-피로 손상 등을 평가합니다.
연구 기법 (The Linear Matching Method Framework)
지난 수십 년 동안 Direct numerical 방법들이 개발되어 다양한 공학 문제를 해결하기 위해 테스트 되었습니다. 주기적인 열 및 기계적 하중을 받는 구조물의 반복 소성 거동을 가장 효과적인 방식으로 계산하기 위하여 Linear Matching Method (LMM)에 기반한 고급 수치해석 방법이 개발되었습니다. LMM 기반으로 확장된 다양한 해석기법은 LMMF (Linear Matching Method Framework)라는 견고하고 강력한 수치해석 기법으로 자리 잡았습니다. 구조의 소성 거동을 평가할 때 LMMF는 보수적인 응력 선형화 방법을 사용하지 않고 탄성 및 소성 셰이크 다운 한계를 정확하고 효율적으로 계산된 수치해석 결과를 제공합니다. 우리 연구실은 재료의 비선형성은 재료의 종류와 사중조건에 따르는 적절한 구성방정식을 전산 수치해석 모델화 하여 단조/반복하중에 노출된 구조물의 거동을 가장 정확하고 효율적으로 예측하는 해석기법을 개발하고 있습니다. LMMF 는 사용 유한요소해석 소프트웨어 ABQUS를 기반으로 작동되며, 수치해석 코드는 UMAT Subroutine에 Fortran 언어를 사용하여 개발되었습니다. 또한, LMMF 수치해석 코드를 Plug-in 프로그램으로 개발하여 ABAQUS 소프트웨어에서 편리하게 이용할 수 있습니다.
연구/논문 수상
26차 ASME 국제 원자력공학 학술대회 (ICONE26) 최우수 논문상(AKIYAMA MEDAL) 수상
연구 실적 (2017년 이후~)
2019
Nak-Kyun Cho, Haofeng Chen*, Donald Mackenzie, Dario Giugliano, Investigating the effects of cyclic thermo-mechanical loading on cyclic plastic behaviour of 90° back-to-back pipe bend system, Journal of Pressure Vessel Technology, Transactions of the ASME, 2019, in press, doi:10.1115/1.4043376

Nak-Kyun Cho, Run-Zi Wang, Zhiyuan Ma, Haofeng Chen*, Fu-Zhen Xuan, Creep-fatigue endurance of a superheater tube plate under non-isothermal loading and multi-dwell condition, July 2019, International Journal of Mechanical Sciences 161-162:105048/ DOI: 10.1016/j.ijmecsci.2019.105048

Dario Giugliano,, Nak-Kyun Cho, Haofeng Chen*, Lorenzo Gentile,2019, Cyclic plasticity and creep-cyclic plasticity behaviours of the SiC/Ti-6242 Particulate Reinforced Titanium Matrix Composites under thermo-mechanical loadings, Composite Structures, 218, 204-216.

Dario Giugliano, Daniele Barbera, Haofeng Chen*, Nak-Kyun Cho, Yinghua Liu, 2019, Creep-fatigue and cyclically enhanced creep mechanisms in aluminium based metal matrix composites, European Journal of Mechanics - A/Solids, 74, 66-80

2018
Nak-Kyun Cho, Haofeng Chen*, James T. Boyle, Fu-Zhen Xuan, 2018, Enhanced fatigue damage under cyclic thermo-mechanical loading at high temperature by structural creep recovery mechanism, International Journal of Fatigue, 113, 149-159

Nak-Kyun Cho, Haofeng Chen*, Cyclic Plasticity Behavior of 90° Back-to-Back Pipe Bends Under Cyclic Bending and Steady Pressure, July 2018, DOI: 10.1115/ICONE26-82386, Conference: 2018 26th International Conference on Nuclear Engineering

Nak-Kyun Cho, Haofeng Chen*, 2018, Shakedown, ratchet, and limit analyses of 90° back-to-back pipe bends under cyclic in-plane opening bending and steady internal pressure, European Journal of Mechanics - A/Solids, 67, 231-242

2017
Nak-Kyun Cho and Haofeng Chen* (2017). Investigation of structural creep strain recovery and its impact on structural integrity, Accepted for publication in 24th International Conference on Structural Mechanics in Reactor Technology.

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