MSC Fatigue

Oct, 2012 MSC Software KOREA Pre-Sales Group

MSC Fatigue Ver. 2012 Solutions for : Advanced Fatigue Life & Critical Location

Overview

제품설계의 초기단계에서 내구해석 (Durability

& Fatigue Analysis)을 수행함으로써 개발비용과

시험 비용을 줄이고 짧아진 제품 개발 주기에

적극적으로 대응할 수 있으며, 제품의 내구특성을

평가하여 최적의 설계방안을 도출한다.

INTRODUCTION

MSC Fatigue는 MSC사의 내구해석 S/W 개발 Partner사인 영국의 nCode Co.가 1990년에

개발하였으며, 피로해석을 수행하기 위해서는 해석 종류에 적합한 구조해석을 먼저 수행하여

Stress or Strain Tensor 또는 Element Force 등을 산출한 후 작용하는 하중이력(Loading Time

History)와 재질의 피로 특성 값을 입력하여 해석을 수행하며 궁극적으로는 요소별 혹은 절점

별로 피로수명의 예측결과를 나타낸다. 특히, MSC Fatigue 2012의 경우 nCode Co.의 최신

피로해석 solver 와 새로운 Material DB를 탑재하여 사용자의 선택에 따라 Classic Solver와

선택하여 사용할 수 있게 되었다.

해석결과는 Patran을 이용하여 각종 Plot형태나 도표로 나타낼 수 있으며, 또한 Design

Optimization과 Sensitivity Analysis Tool을 이용하여 예측된 취약부위에 대한 최적의 피로해석

결과를 산출할 수 있다.

MSC Fatigue CONSISTS OF:

MSC Fatigue V.2012은 다음과 같은 모듈로 구성되어 있다.

MSC Fatigue Basic – 반복 하중에 의한 균열 생성과 진전을 구분하지 않고 파단

발생까지의 전체 수명(Total Life)을 예측하는 Stress-Life Method와 국부적인 소성

변형을 고려하여 Crack이 발생되는 균열 발생 수명(Crack Initiation Life)을 예측하는

Strain-Life Method(e-N), Response Signal 추출에 사용되는 Hardware Strain

Gauge의 기법을 유한요소에 적용시킨 기능으로 구조물과 유한요소 모델상의

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Correlation과 구조물에서 측정하기 어려운 부위 등에 대하여 유한요소 모델에서의

Gauge 설정 및 다양한 각도에서의 Signal 추출이 가능한 기능인 Software Strain

Gauge 기능이 포함됨.

MSC Fatigue Fracture – 초기 균열을 가질 수 있는 구조물에 대해 선형 탄성 파괴

역학(Linear Elastic Fracture Mechanics)를 기초로 한 균열 진전 (Crack Growth) 해석

방법

MSC Fatigue Multiaxial – 하중이력의 변동에 따른 주응력 상태 변화를 Critical Plane

Method를 이용하여 반영하는 다축성(Multiaxiality) 피로해석 Method

MSC Fatigue Vibration – 고유 진동모드에 의한 Dynamic Effects를 고려하여

구조물의 Frequency Response Analysis 결과와 하중이력의 Frequency Domain

Power Spectrum Density을 적용하여 수행하는 공진피로(Resonance Fatigue) Method

MSC Fatigue Weld – 점용접으로 구성된 구조물에 대하여 Sheets와 Nugget에 대한

Fatigue Life 예측과 Damage Polar Plot을 지원하는 점용접(SpotWeld) 전용 피로 해석

방법과 S-M Method를 이용한 박판 연속 용접(ARC Weld)부 전용 피로 해석 방법을

지원하며, 공동 개발사인 Volvo社의 시험-해석 Correlation을 통해 신뢰성이 검증된

용접부 해석 프로그램

MSC Fatigue Utilities – 하중이력에 대한 사칙연산, 통계적 처리 등의 Signal

Processing 기능과 시간 진행에 따른 Cumulative Fatigue Damage Plot 등의 Advanced

Fatigue Results 기능 등이 지원되는 모듈

MSC Fatigue Wheels – 구조물의 표면을 따라 하중의 작용 위치가 이동하는 회전

운동체에 대한 취약부위 및 피로특성 분석을 지원하는 모듈

Procedure for Durability Assessment

기하학적 형상 정의 및 응력(변형률) 해석 수행

Transient Load 정의

구조물 피로 응답 정의

Multi-Location 피로 해석 수행

해석 결과의 후처리 (Life Contours, Damage Evaluation, Design Optimization)

Durability Analysis Processing using MSC Fatigue

FE Model 생성 및 구조해석 수행 ; Nastran, Abaqus 및 Ansys 등의 Solver 종류에

관계없이 피로해석 종류에 알맞은 Static, Transient, Non-Linear, Normal Mode 및

Frequency Response Analysis를 실행

Time Domain or Frequency Domain의 하중이력 생성 ; Loading Time History는 직접

만들거나 외부의 데이터로부터 입수될 수 있으며 MSC.Fatigue에서 지원하는 Time

History Database Manager(PTIME)를 사용하여 생성 및 조절 가능

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재질의 피로 물성값 결정 ; 기계적 성질, 피로 물성값은 시험 데이터를 직접 이용할 수

있으며, 이러한 데이터가 없는 경우에는 Material Database Manager 인 PFMAT

(v.2005) 또는 DTMAT (v2012) 를 사용하여 유사한 데이터를 찾거나 구조물의

인장강도(Ultimate Tensile Strength)로부터 유추할 수도 있음. 현재 PFMAT에는 약

200개, DTMAT에는 약 600개의 S-N, ε-N, LEFM 및 SpotWeld 관련 데이터가 내장되어

있음

피로해석 수행 ; Patran 혹은 Prompt에서 실행

피로해석 결과분석 STEP 1 ; Fatigue Life or Damage를 Plot이나 Table 으로 산출

피로해석 결과분석 STEP 2 ; Loading Cycle & Fatigue Damage의 Histogram 산출 및

분석

Advanced 피로해석 수행 ; 예측된 피로해석 결과값이 목표 내구수명보다 취약한

경우에는 Optimization이나 Sensitivity Analysis Tool을 이용하여 잔류응력, 재질 변경,

표면 후처리 변경, 표면 경화법 변경 등의 다양한 경우의 수를 고려한 민감도 혹은

최적화 기법을 적용하여 설정된 SPEC을 만족할 수 있는 방안을 찾음

피로해석 결과의 단위 ; 해석 결과의 단위는 기존의 Cycles, Lives 및 Damage 뿐만

아니라 Track & Rig Test를 고려하여 구조물의 특별 수명단위(Repeats, Flights, etc.)로

표시 가능

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Benefits of MSC Fatigue

Product Development Time의 최소화

Product Life Assessment을 위한 시스템적인 접근

Prototyping 및 Testing Costs의 절감

Design Optimization 실현

Fatigue(Durability) Analysis Expert Support

Patran과의 통합 환경 및 독자 Pre&Post 환경의 구성

Linear Static 부터 Dynamic FE Results의 활용

실제적인 Loading Time History Data의 접근

MSC Fatigue Product Application

① 피로해석을 수행하기 위해서는 여러 가지 Parameter를 미리 조사하여야 하는데, 즉

생산공정에서 사용된 열처리방법, 표면 후처리(Surface Finish), 표면 처리(Surface

Treatment) 등에 대한 상세한 Data가 있어야 정밀한 해석결과를 얻을 수 있으며, 이를

해석조건에서 지정할 수 있다.

② Load Time History Manager는 작용하는 Load Time History를 만들거나 편집할 수

있을 뿐더러, 외부(시험)에서 얻은 Loading History를 ASCII 상태로 변환할 수 있으며

(ASCII File Binary File), Data간의 상호 편집이나 복합, Filtering 기능 및 PC와

UNIX간의 Data 송수신을 지원한다.

③ Material Database Manager는 Central DB에서 지원하는 재료 특성을 손쉽게 이용할

수 있도록 지원하며, 본 기능을 활용하여 사용자 고유의 Material DB를 구축, 유지할

수 있고 재료 특성을 Plot과 Table 형태 등으로 나타내어 다양한 분석 기능을 제공한다.

④ MSC.Fatigue는 향후에도 Thermal Fatigue, Composites Fatigue, Cast-Iron Fatigue,

Solder Fatigue, Rivets Fatigue, MultiEdit, Statistical, Rubber Fatigue, Corrosion

Fatigue를 순차적으로 Release하여 사용자 여러분의 편리를 도모 할 예정이다.

Fatigue Life Estimation Methods Supported by MSC Fatigue

1. Total Life Approach

본 방법(S-N Method)은 구조물의 균열시작과 균열진전의 구분 없이 전체 피로수명

예측에 사용되며, 이 경우의 피로수명은 완전한 Failure가 일어날 때까지의 수명이며

기본적으로 Wohler Method를 채택하고 고 주기 피로(High Cycle Fatigue) 영역에

주로 사용된다.. 특히 Arc 용접구조물에 대해서도 BS7608을 적용한 내구해석을

수행할 수 있으며 Material Central DB에는 부품(Component)과 재질(Material)로

구분되는 2가지 형태의 S-N곡선이 제공된다.

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2. Crack Initiation Approach

구조해석으로부터 산출된 Strain을 이용하여 Engineering Crack(보통 2mm내외)이

형성될 수 있는 위치에서의 수명을 평가하는 방법을 제공하며. Manson-Coffin

Method를 채택하는데 주로 저 주기 피로(Low Cycle Fatigue) 영역에 적용한다.

3. Crack Growth Approach

선형탄성 파괴역학(LEFM)을 바탕으로 하여 선박, 항공기 구조물처럼 초기균열을

가질 수 있는 구조물의 균열진전 해석을 수행하며, Paris Law Method를 채택하고

기하학적 형상을 고려한 수정 함수인 Compliance Function을 정의할 수 있는

PKSOL이란 기능이 첨부되어 있으며, 구조물의 초기균열이 반복되는 부하하중에

의하여 어느 방향으로 얼마만큼 진전하는가를 예측한다.

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4. Multiaxial Fatigue Approach

다축 피로 해석은 먼저 S-N 혹은 E-N Based 피로해석을 수행한 후, 이를 바탕으로

산출된 Biaxiality Ratio, Angle Spread 등의 Parameter로부터 다축성(Multiaxiality)을

평 가하여 Non-Proportional Loading 상태에 대해서는 Critical Plane Method를

적용한 전체 8가지의 고유 Solution(Wang-Brown etc.)을 제공하여 하중이력에 따른

응력상태와 작용하는 주응력 방향을 고려한 피로 해석을 수행 한다.

5. Spot Weld Approach

구조물의 점용접 부위들간의 피로수명 분포와 구성하고 있는 Sheets과 Nugget에

대하여 0 360 Degrees를 10 Degree 간격으로 Fatigue Damage 등을 계산하여 Polar

Plot 을 제공함. Nugget를 Simple Beam 요소로 처리하여 Force Transducer의 기능을

갖게 하는 Rupp-Storzel-Grubisic Method를 채택하여 Sheets의 두께 및 Nugget 직경

변화에 따른 민감도 해석을 지원 한다.

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6. Seam Weld Approach

Seam Weld Fatigue는 S-N method를 이용하여 박판 Seam Weld 결합부의 피로

손상을 평가하기 위해 개발된 MSC Fatigue Module 이다. Seam Weld Fatigue에서

용접부는 Relatively Stiff Shell Element로 구성하며, 이들 요소들은 Load Transducer

역할을 한다. 용접부와 인접한 요소들의 Group 구성 작업은 MSC Fatigue에서

자동적으로 수행되며 용접부와 모재의 공유 절점이 결정되고 각 절점에서의 응력이

추출된다. 계산된 응력 결과들과 제공되는 용접 S-N 선도를 사용하여 피로 수명을 산출

한다.

7. Vibration Fatigue Approach

구조물의 고유진동 모드에 따른 동적 특성(Dynamic Effect)을 고려하여 피로 해석을

수행하는 방법으로서, 구조해석의 Normal Mode와 Frequency Response Analysis를

먼저 수행한 후 하중이력을 주파수 Domain의 Power Spectral Density 형태로 입력하여

산출된 Response PSD를 제공되는 7가지의 Solution을 이용하여 Probability Density

Functions로 변환시켜 최종적으로는 모재의 S-N 곡선으로부터 피로수명을 산출하는

방법으로 Resonance Fatigue 해석을 지원

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8. Wheels Fatigue Approach

주로 회전하는 운동특성을 갖는 구조물에 대한 취약부위 및 피로수명을 산출하는

모듈로서 대상 회전체에 작용하는 물리량을 각 부위별로 입력하여 해석하는 것이 특징

Description of MSC Fatigue Support Modes

MSC Fatigue는 위에서 언급한 다양한 피로해석 방법들을 지원하기 위하여 다음과 같은 2가

지의 지원 모듈이 있다.

1. Software Strain Gauge

Hardware Strain Gauge 기능을 FEM-Based로 전환시킨 기능으로서 하중이력을

얻고자 하는 부위의 데이터가 없거나 본 기능으로부터 산출된 데이터의 분석에도 활용됨.

또한 측정된 Signal과 예측한 Signal의 Correlation을 실시한 후, 구조물에서 Hardware

Strain Gauge를 부착할 수 없는 위치(용접 비드부위, 노치부위 등)에서 하중이력을 산출할

경우에 사용

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2. Fatigue Utilities

하중이력에 대한 Signal Processing 기능과 해석결과의 다양한 분석 기능을 지원하는

모듈로 구성되며, 이는 Test-Based Fatigue Software인 nCode/nSoft의 기능 중에서 피로

해석자에게 필요한 기능들이 추가된 것임. 즉 Advanced Loading Manipulation, Advanced

Fatigue Analysis and Display, File Translation (ASCII Format Binary Format, PC

UNIX), Plotting and Printing 4가지의 기능별로 구성

Supported Hardware Platforms & OS

INTEL x86, AMD x64 : Windows XP, Windows 7 (64bit or 32bit), Linux RHEL 5, 6

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