• International Journal of Fluid Machinery and Systems
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• 제8권4호
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• pp.254-263
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• 2015

The failure of hydraulic turbine runners is a rare event. So in order to assess the reliability of these components one cannot rely solely on the number of observed failures in a given population. However, as there is a limited number of degradation mechanisms involved, it is possible to use physically-based reliability models. Such models are often more complicated but are able to account for physical parameters in the degradation process. They can therefore help provide solutions to improve reliability. With such models, the effect of materials properties on runner reliability can be highlighted. This paper presents a brief review of the Kitagawa-Takahashi diagram which links the damage tolerance approach, based on fracture mechanics, to the stress or strain-life approaches. Using simplified response spectra based on runner stress measurements, we will show how fatigue reliability is sensitive to materials fatigue properties, namely fatigue crack propagation behaviour and fatigue limit obtained on S-N curves. Furthermore, we will review the influence of the main microstructural features observed in 13%Cr-4%Ni stainless steels commonly used for runner manufacturing. The goal is ultimately to identify the most influential microstructural features and to quantify their effect on fatigue reliability of runners.

• Geomechanics and Engineering
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• 제17권6호
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• pp.535-541
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• 2019

Combining the radial well drilling and hydraulic fracturing technique, the production capacity of the reservoirs with low-permeability can be improved effectively. Due to the existence of radial holes, the stress around the well is redistributed, and the initiation and propagation of hydraulic fractures are different with those in traditional hydraulic fracturing. Therefore, it is necessary to study the influences of radial horizontal wells on hydraulic fracturing. The laboratory experiment was conducted to simulate the hydraulic fracturing on the physical model with radial holes. The experimental results showed that, compared with the borehole without radial holes, the sample with radial hole in the direction of maximum horizontal stress was fractured with significantly lower pressure. As the angle between direction of the horizontal hole and the maximum horizontal stress increased, the breakdown pressure grew. While when the radial hole was drilled towards the direction of the minimum horizontal stress, the breakdown pressure increased to that needed in the borehole without radial holes. When the angle between the radial hole and the maximum horizontal stress increase, the pressure required to propagate the fractures grew apparently, and the fracture become complex. Meanwhile, the deeper the radial hole drilled, the less the pressure was needed for fracturing.

• 터널과지하공간
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• 제29권3호
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• pp.197-213
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• 2019

본 연구에서는 TOUGH-FLAC 연동해석기법을 이용하여 Mont Terri 지하연구시설에서 수행된 단층 내 물 주입시험을 수치적으로 모델링하고, 단층의 재활성과 수리역학적 거동 특성을 살펴보았다. TOUGH2 해석에서는 단층을 Darcy의 법칙과 삼승법칙(Cubic law)을 따르는 연속체 요소로 모델링하였으며, FLAC3D 해석에서는 미끄러짐과 개폐가 허용되는 불연속 인터페이스 요소를 통해 모사하였다. 현장에서 획득한 단층의 균열개방압력(fracture opening pressure), 주입율, 모니터링 압력, 변위 곡선 등을 바탕으로, 단층의 탄성적 변형과 파괴에 의한 수직팽창 특성을 반영할 수 있는 수리간극모델과 수리역학 커플링 관계를 해석모델에 반영하였다. 한편, 현지응력 조건, 단층의 강도 및 변형 특성에 따른 파라미터 해석을 실시하여 각 입력변수가 해석 결과에 미치는 영향을 분석하였으며, 이를 통해 현장시험 결과를 가장 잘 재현할 수 있는 파라미터 조합을 선정하였다. 해석 결과, 균열개방압력에서 단층의 주입율과 모니터링 압력이 크게 증가하는 현상을 합리적으로 재현할 수 있었다. 하지만, 동일한 입력 변수 조건에서 단층의 전단변위와 파괴영역의 범위는 현장시험 결과에 비해 과대평가되는 결과를 보였다. 이는 해석모델에서는 고압의 주입조건에서 단층의 지속적인 전단파괴가 유도되는 반면, 현장에서는 수리간극의 변화가 전단 미끄러짐보다는 인장력에 의한 단층면의 개방(tensile opening)에 크게 의존하는 것으로 추정되기 때문이다.

• 동력기계공학회지
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• 제15권1호
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• pp.39-44
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• 2011

This study was to investigate the effects of stress ratio and anisotropy on Fatigue Crack Propagation(FCP) behavior of rolled magnesium alloy AZ31B. The experimental materials were a Mg-Al-Zn magnesium alloy. The FCP test was conducted on compact tension specimen by a servo-hydraulic fatigue testing machine in air at room temperature. Compact tension specimens were prepared from the extruded parallel and vertical rolling direction. The test condition was frequency of 10Hz and sinusoidal load stress ratios are 0.1 and 0.7. The FCP rates was automatically measured by a compliance method. In the case of the FCP of AZ31B, the FCP of both direction of LT and TL by anisotropy of specimens are almost same value. In lower stress ratio, the FCP of the LT, TL specimens are increased in lower ${\Delta}K$ region but higher ${\Delta}K$ regions are almost same value. Finally, the result of observed the surface crack, it expressed the quasi-cleavage fracture in lower ${\Delta}K$ region and straight mark on the aspect of the facet in high ${\Delta}K$ region.

• 연구논문집
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• 통권23호
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• pp.127-140
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• 1993

The drive pulley, which is employed for loading and unloading raw materials in a steel mill, is usually manufactured by use of various welding processes. In this study the weldment in the pulley, in which TIG and $CO_2$ welding processes are used, has been analyzed from view point of fracture mechanics. Fracture toughness tests have been performed according to ASTM E813. A servo-hydraulic testing machine (10kN) has been employed. Also the crack propagation tests (Mode I) have been performed with compact tension specimen in compliance with ASTM E647. To predict the critical crack size in the weldment, finite element stress analysis for the drive pulley under real operating conditions have been performed. In addition, the residual stresses at the weldment and in heat-affected zone have been obtained by hole drilling method. The planar critical crack size have been predicted for the drive pulley by considering the stress analysis results and the residual stresses due to welding process. For the drive pulley considered in this study, it has been concluded that the most important factor in determining the critical crack size is the welding residual stress in the transverse direction. Also the effect of stress concentration at the root of the weldment have been noticeable. For the planar crack, the fatigue crack growth life from an initial crack size of 2mm to the critical crack size obtained as in the above have been predicted. The predicted lives were between 55, 900 and 72, 000 cycles depending on the shape of the elliptical crack. The predicted lives were in fairly good agreement for the drive pulley considered in this study.

• 터널과지하공간
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• 제31권5호
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• pp.309-332
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• 2021

고준위방사성폐기물 심층처분장 내 천연방벽은 방사성핵종의 누출을 방지 및 지연할 수 있는 수리학적 특성을 갖춰야 한다. 결정질 암반의 경우 불연속면에 의해 수리학적 성능이 결정되기 때문에, 불연속면의 수리-역학적 복합거동에 대한 자세한 모사가 필요하다. 불연속체 기반 해석기법은 불연속면의 생성, 전파, 변형, 미끄러짐과 같은 복잡한 거동을 구현할 수 있어 결정질 암반 모사에 적합하다. 본 연구에서는 불연속면에서의 수리-역학 복합거동에 초점을 맞추어, UDEC, 3DEC, PFC, DDA, FRACOD, TOUGH-UDEC과 같은 상용화된 불연속체 기반 수리-역학 복합거동 해석기법을 조사하였다. 블록 기반 불연속체 해석기법의 경우 주로 불연속면 상에서 진행되는 유체 유동을 바탕으로 수리-역학 복합거동을 해석하였고, 그중 일부는 다른 수리학적 해석기법과의 결합을 통하여 모델 전체에 대한 수리-역학적 복합거동을 제공하였다. 입자 기반 불연속체 해석기법의 경우에는 입자 사이로 흐르는 유체를 반영하여 불연속체 모델 전체에 해당하는 수리-역학적 복합거동 모사가 가능하다. 현재까지 상용화된 불연속체 기반 복합거동 해석기법은 2차원 해석만 제공하거나, 수리학적 해석 성능이 떨어지고, 불연속면에서의 유체 유동만 고려되거나, 자세한 수리학적 해석을 지원하지 않는 등의 한계점이 있어 고준위방사성폐기물 심층처분시스템의 정확한 수리-역학 모델링에는 적합하지 않을 수 있다. 본 기술보고에서 검토한 다양한 해석기법들의 장단점을 참고하여 향후 처분시스템을 정확하고 자세하게 모사할 수 있는 불연속체 기반 수리-역학 복합거동 해석기법의 개발이 필요하다.

• 한국지반공학회논문집
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• 제25권10호
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• pp.17-30
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• 2009

지하에 공동을 건설하는 터널 공사의 경우 초기 응력의 집중 및 발파와 같은 시공단계에서의 과도한 에너지의 적용으로 인하여 주변 암반에 손상을 발생시킨다. 이러한 손상의 발생은 터널에 작용하는 하중 및 터널 주변 암반의 흐름조건에 상당한 영향을 끼친다. 이러한 이유로 터널 주변에 발생하는 손상구간에 대하여 다양한 연구가 수행되었다. 본 연구에서는 유사암석으로 제작된 공동이 존재하는 절리모델의 이축압축실험을 통하여 공동주변의 손상발생을 연구하였다. 절리면은 수평면과 $30^{\circ}$, $45^{\circ}$, $60^{\circ}$의 조건으로 형성되었으며, 초조강시멘트 재료를 이용하여 유사절리모델을 제작하였다. 이축압축 실험결과 공동주변에서는 절리면에 수직한 방향으로 인장균열의 발생이 관측되었으며, 균열의 진행으로 인하여 암반블록이 형성되었으며, 진행하는 인장균열이 다른 절리면에 도달하여 암반블록이 완전히 형성된 경우 탈락하는 과정을 보였다. 이러한 인장균열의 진전은 절리면의 각도에 따라 상이한데 절리면의 각도가 클수록 안정적이며 진행성의 균열 진전 양상이 관측되었다. 이러한 인장균열의 발달은 절리면으로 구성된 암편을 보로 가정 할 경우 공동의 곡률로 인한 기하학적 형상의 불규칙성으로 인하여 모멘트가 작용하는 것으로 판단된다. 이상의 실험결과를 입자요소해석 방법을 기반으로 하는 PFC 2D를 이용하여 모사하였다. 해석결과 실험에서 관측한 바와 같이 절리면 각도가 작을수록 손상대의 폭은 넓어지며 인장균열의 진행에 의한 암반블록의 형성이 관측되었다. 또한 상호작용이 발생하는 균열을 조사한 결과 수치해석에서도 절리면의 각도가 작은 조건에서 진행성의 파괴가 나타났다.

• 한국지반공학회논문집
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• 제22권11호
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• pp.55-64
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• 2006

터널과 같은 지하 공동 굴착을 위한 발파로 주변에 손상이 발생하였을 경우, 암반의 역학적 및 수리적 불안정성을 유발하기 때문에 암반의 최종손상영역의 예측은 매우 중요하다 그러나 복잡한 발파거동으로 인해 손상영역을 적절히 예측하는 데에는 상당한 어려움이 따르고 있다. 이러한 어려움을 효과적으로 해결하기 위해 발파하중을 응력파와 가스압으로 분리한 많은 연구가 진행되었다. 응력파는 발파공 주위에 분쇄환(crushing annulus)과 파쇄균열대(fracture zone)를 형성시키며, 상당시간 지속되는 준정적인 가스는 파쇄균열대의 닫힌 균열내부에 침투하여 균열을 다시 진행시키는 역할을 하게 된다. 즉, 가스압은 최종적으로 암반에 손상을 가하는데 기여를 한다. 따라서 본 논문은 이러한 가스압에 의해 생성되는 균열의 최종 진행 길이를 예측함으로써 발파로 인한 최종 손상영역을 간단하게 예측할 수 있는 방법을 제시하고자 한다. 이를 위해 균질한 무한 탄성평면에서 발파공 주위에 대칭으로 형성되는 방사균열을 모델로 사용하였다. 이 모델에서 균열이 진행할 수 있는 조건과 가스의 질량이 일정하다는 두 가지 조건을 사용하였다. 그 결과 응력확대계수는 균열이 진행할수록 감소하여 최종균열의 길이를 산정하였으며, 또한 발파공에 작용하는 압력도 감소하는 것을 확인하였다.