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연구개발 요약서
요약문
SUMMARY
CONTENTS
목차
제1부 서론 28
제1장 연구개발과제의 개요 30
제1절 연구 목적 32
제2절 연구 필요성 32
1. 비접촉 레이저응용 기술에 의한 원전기기 잔류응력 해석 및 비파괴검사 기술 개발 33
2. 원전기기 결함의 예측 및 평가 기술개발 34
제3절 연구내용 및 범위 35
1. 비접촉 레이저응용 기술에 의한 원전기기 잔류응력 해석 및 비파괴검사 기술 개발 35
가. 최소자승 위상 추정법을 이용한 측정 분해능 향상 알고리즘 개발 35
나. 내부 결함 정량화 기법 개발 36
다. 감육 곡관 결함부 정량 분석 36
라. 열변형으로 인해 발생하는 잔류응력해석 기술 개발 36
마. 용접조건에 따른 잔류응력 측정결과 비교 36
바. UTM과 ESPI를 이용한 용접부의 잔류응력 측정 37
사. ESPI를 이용한 곡관 강육결함 주변의 변형률 해석 37
2. 원전 기기 결함의 예측 및 평가 기술 개발 37
가. 용접부 잔류응력 유한요소(FE)해석 및 자료 생산 37
나. 데이터 기반 예측 모델 개발 38
다. 용접부 잔류응력 분포 및 크기 예측 모델 개발 38
라. 감육 곡관 손상시험장치 보완 및 손상시험 수행 38
마. 감육 곡관의 손상기준 설정 38
바. 감육 곡관의 건전성 평가 모델 확립 38
제2장 국내외 기술개발 현황 40
제1절 국외 42
제2절 국내 45
제3절 종합 검토 47
제2부 연구 내용 48
제3장 연구개발수행 내용 및 결과 50
제1절 비접촉 레이저응용 기술에 의한 원전기기 잔류응력 해석 및 비파괴검사 기술 개발 52
1. 최소자승 위상 추정법을 이용한 측정 분해능 향상 알고리즘 개발 52
가. 4단계 변형 위상 측정 기법 52
나. 최소자승 위상 추정법 53
2. 내부 결함 정량화 기법 개발 57
가. SSI를 이용한 내부결함 해석 58
나. ESPI를 이용한 내부결함 평가 69
3. 감육 곡관 결함부 정량 분석 70
가. SSI를 이용한 감육 곡관 결함 계측 71
나. ESPI를 이용한 감육 곡관 결함 계측 76
4. 열변형으로 인해 발생하는 잔류응력해석 기술 개발 79
가. 점가열법을 이용한 잔류응력해석 이론 79
나. 점가열법을 이용한 잔류응력해석 84
5. 용접조건에 따른 잔류응력 측정결과 비교 87
가. 일반 용접시험편의 인장 잔류응력 측정 89
나. TIG 용접 시편의 인장 잔류응력 측정 91
다. Nd:YAG 레이저 용접 시험편의 인장 잔류응력 측정 94
라. 용접 종류별 인장 잔류응력 측정 결과 비교 95
6. UTM과 ESPI를 이용한 용접부의 잔류응력 측정 96
가. 시험편의 제작 96
나. 실험방법 98
다. 실험결과 100
라. 실험결과의 해석 101
7. ESPI를 이용한 곡관 감육결함 주변의 변형률 해석 105
가. Extrados 감육결함에 대한 스트레인 분포 측정 107
나. Intrados 감육결함에 대한 스트레인 분포 측정 110
제2절 원전 기기 결함의 예측 및 평가기술 개발 112
1. 인공지능을 이용한 잔류응력측정 신호분석과 잔류응력 예측기법 개발 112
가. 용접부 잔류응력 유한요소(FE)해석 및 자료 생산 112
나. 데이터 기반 예측 모델 개발 123
다. 데이터 기반 예측 모델을 적용한 용접부 잔류응력 분포 및 크기 예측 129
2. 감육 곡관 건전성 평가 기술 개발 138
가. 감육 곡관 손상시험장치 보완 및 손상시험 수행 138
나. 감육 곡관의 감육부 손상기준 설정 157
다. 감육 곡관의 손상압력 평가 모델 확립 170
제3부 결론 및 제언 186
제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 188
제5장 연구개발결과의 활용계획 196
제6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 200
제7장 참고문헌 204
표 1.6.1. 하중차 변화에 따른 ESPI 위상지도 100
표 1.6.2. 하중변화에 따른 응력 및 변형률 변화 103
표 1.7.1. 감육결함 주변 변형률 해석에 사용된 시험편의 설계치 106
표 2.1.1. 용접부 잔류응력 해석을 위해 고려된 해석 조건 113
표 2.1.2. SC에 기초한 퍼지 모델링을 이용한 감육곡관 붕괴모멘트 예측결과 129
표 2.1.3. SVM Regression을 이용한 감육 곡관 붕괴모멘트 예측 결과 129
표 2.1.4. 퍼지모델을 이용한 내부면에 따른 잔류응력 분포의 예측결과 132
표 2.1.5. 퍼지모델을 이용한 경로2에 따른 잔류응력 분포의 예측결과 132
표 2.1.6. SVR 모델을 이용한 내부면에 따른 잔류응력 분포의 예측결과 135
표 2.1.7. SVR 모델을 이용한 경로2에 따른 잔류응력 분포의 예측결과 135
표 2.2.1. 손상시험에서 고려된 시험조건 (설계치) 143
표 2.2.2. 결함부의 최소 두께 및 실험 및 예측에 의한 손상압력 162
표 2.2.3. 변수 해석을 위한 해석 조선 172
그림 1.1.1. X=I₁-I₄와 Y=I₂-I₃를 이용하여 4개의 스페클 패턴으로부터 구한 세기 차이 분포 54
그림 1.1.2. 최소자승 위상 추정법을 이용한 데이터 추정 과정 57
그림 1.2.1. SSI와 ESPI에 의한 표면 변형 측정 결과 58
그림 1.2.2. 외부 작용하중에 의한 내부 결함에 대한 표면에서의 변형 59
그림 1.2.3. 전단량 변화에 따른 표면 변위와 1차 도함수, 상대변위 분포의 비교 60
그림 1.2.4. 내부결함을 갖는 구조물 모델 61
그림 1.2.5. 내부결함을 갖는 구조물의 FEM(ANSYS)을 이용한 해석 결과 61
그림 1.2.6. 진공상태의 하중이 작용하였을 때, 내부 결함의 변형 62
그림 1.2.7. 전단량 변화에 따른 상대 변위량 62
그림 1.2.8. 상대 변위량과 결함 크기와의 관계 63
그림 1.2.9. 전단량 변화에 따른 내부 결함의 검출 오차 64
그림 1.2.10. 전단방향에 따른 상대변위 65
그림 1.2.11. 결함 크기와 결함 깊이, 압력 사이의 관계 67
그림 1.2.12. 작용하중의 변화에 따른 표면변위분포 68
그림 1.2.13. 임계전단량에서 작용하중의 변화에 따른 상대 변위량 분포 68
그림 1.2.14. FEM에 의한 내부결함을 갖는 구조물의 전단응력분포 69
그림 1.2.15. 내부결함에 대한 표면응력분포 70
그림 1.3.1. 감육 곡관 시험편 70
그림 1.3.2. 내압시험을 위한 가압장치 71
그림 1.3.3. 감육 곡관 시험편의 형상 및 규격 71
그림 1.3.4. 곡관 내호면에 감육부가 존재하는 경우의 SSI 실험 결과 72
그림 1.3.5. 곡관 외호면에 감육부가 존재하는 경우의 SSI 실험 결과 73
그림 1.3.6. 곡관 외호면에 감육부가 존재할 때, x-방향 전단과 내압의 변화에 따른 실험 결과 74
그림 1.3.7. 곡관 내호면에 감육부가 존재할 때, x-방향 전단과 내압의 변화에 따른 실험 결과 74
그림 1.3.8. 곡관 외호면에 감육부가 존재할 때, y-방향 전단과 내압의 변화에 따른 실험 결과 75
그림 1.3.9. 곡관 내호면에 감육부가 존재할 때, y-방향 전단과 내압의 변화에 따른 실험 결과 75
그림 1.3.10. 곡관 내호면에 감육부가 존재할 때, xy(-45도)-방향 전단과 내압의 변화에 따른 실험 결과 76
그림 1.3.11. 곡관 내호면에 감육부가 존재할 때, xy(-45도)-방향 전단과 내압의 변화에 따른 실험 결과 76
그림 1.3.12. 곡관 외호면에 감육부가 존재할 때, 내압의 변화에 따른 실험 결과 77
그림 1.3.13. 곡관 감육 결함의 위치에 따른 면외변위 계측실험 결과 77
그림 1.3.14. 곡관 감육 결함의 위치에 따른 면내변위 계측실험 결과 78
그림 1.4.1. 단순한 스프링 모델에 대한 힘-변위 선도 80
그림 1.4.2. 면내 변위 계측 ESPI에서 사용된 간섭계와 화상획득 시스템 개략도 84
그림 1.4.3. 항복응력이 가해진 시험편의 간섭무늬 85
그림 1.4.4. 항복응력이 가해진 시험편의 위상도 86
그림 1.4.5. 항복응력이 가해진 시험편의 3D plot 86
그림 1.5.1. 제작 시험편의 형상과 치수 및 기계적 성질 87
그림 1.5.2. 용접 종류에 따른 잔류응력 비교용 시험편 88
그림 1.5.3. 탁상용 소형 인장시험기 89
그림 1.5.4. 점가열을 위한 가공용 Nd:YAG 레이저 및 ESPI 구성도 89
그림 1.5.5. 항복응력의 90% 예하중이 작용할 때, 냉각시간과 온도에 따른 간섭무의 패턴 90
그림 1.5.6. 점 가열 위치에 따른 위상도 92
그림 1.5.7. TIG 용접시험편에 대한 위상 결펼침 이미지 92
그림 1.5.8. TIG 용접시험편의 3D plot 93
그림 1.5.9. 뒷면 중앙 가열한 TIG 용접시험편의 위상도 93
그림 1.5.10. 뒷면 중앙 가열한 TIG 용접시험편의 결펼침 이미지 94
그림 1.5.11. 뒷면 중앙 가열한 TIG 용접시험편의 3D plot 94
그림 1.5.12. 레이저 용접시험편에 대한 위상도 95
그림 1.5.13. 레이저 용접시험편에 대한 결펼침 이미지 95
그림 1.5.14. 레이저 용접시험편에 대한 3D plot 95
그림 1.5.15. 용접 종류별 인장 잔류응력 96
그림 1.6.1. 시험편의 제작방법 97
그림 1.6.2. 제작 시험편의 형상 및 치수 97
그림 1.6.3. 실험장치의 구성 개략도 98
그림 1.6.4. 시험장치, 시험편 및 센서의 실제사진 99
그림 1.6.5. 변형측정 결과의 3D표현 및 프로파일 101
그림 1.6.6. 하중변화에 따른 변형의 변화 101
그림 1.6.7. 하중변화에 따른 변형률 102
그림 1.6.8. 모재부와 용접부의 변형률 변화 102
그림 1.6.9. 모재부와 용접부의 변형률 비율 103
그림 1.6.10. 모재부와 용접부의 탄성계수 104
그림 1.6.11. 용접부의 잔류응력 측정 결과 105
그림 1.7.1. 감육결함 위치에 따른 ESPI 시스템 설치 위치 106
그림 1.7.2. SP-4 곡관 감육결함부의 축방향 변형 분포를 보여주는 위상도 107
그림 1.7.3. SP-4 곡관 감육결함부의 원주방향 변형 분포를 보여주는 위상도 108
그림 1.7.4. 축방향 변형률 분포 109
그림 1.7.5. 원주방향 변형률 분포 109
그림 1.7.6. SP-15 곡관 감육결함부의 축방향 변형 분포를 보여주는 위상도 109
그림 1.7.7. 7 SP-15 곡관 감육결함부의 원주방향 변형 분포를 보여주는 위상도 110
그림 1.7.8. 축방향 변형률 분포 111
그림 1.7.9. 축방향 변형률 분포 111
그림 2.1.1. 본 연구에서 고려된 배관-노즐 이종금속 용접부 112
그림 2.1.2. 해석에서 고려된 용접재의 온도에 따른 인장물성치 114
그림 2.1.3. 용접부 잔류응력 해석에 적용된 유한요소모델 115
그림 2.1.4. 용접부의 축방향 응력 성분의 분포 Contour (Ro/t = 4.8778)(이미지참조) 116
그림 2.1.5. 용접부의 잔류응력 데이터 추출 위치 116
그림 2.1.6. 배관 끝단부 구속조건에 따른 잔류응력 크기 및 분포 비교 117
그림 2.1.7. 배관 형상(Ro/t)에(이미지참조) 따른 잔류응력 크기 및 분포 비교 118
그림 2.1.8. 용접 입열량에 따른 잔류응력 크기 및 분포 비교 (Ro/t = 4.8778)(이미지참조) 119
그림 2.1.9. 용접 입열량에 따른 잔류응력 크기 및 분포 비교 (Ro/t = 8.8735)(이미지참조) 120
그림 2.1.10. 용접재의 강도에 따른 잔류응력 크기 및 분포 비교 (Ro/t = 4.8778)(이미지참조) 121
그림 2.1.11. 용접재의 강도에 따른 잔류응력 크기 및 분포 비교 (Ro/t = 8.8735)(이미지참조) 122
그림 2.1.12. 퍼지추론 계통 125
그림 2.1.13. SVR 모델의 비민감 튜브 (±ε)와 slack variables(ξi and ξj)(이미지참조) 126
그림 2.1.14. 퍼지모델의 자동 최적화 절차 128
그림 2.1.15. SVR 모델의 자동 최적화 절차 128
그림 2.1.16. 용접부내 이종금속 부위와 잔류응력 수집 및 예측 경로 130
그림 2.1.17. 단순한 2개 변수를 갖는 시스템에 대한 Cluster Center 131
그림 2.1.18. Restrained constraint 하에서 내부면에서의 잔류응력 예측 성능 (퍼지모델) 133
그림 2.1.19. Free constraint 하에서 내부면에서의 잔류응력 예측 성능 (퍼지모델) 133
그림 2.1.20. Restrained constraint 하에서 경로2에서의 잔류응력 예측 성능 (퍼지모델) 134
그림 2.1.21. Free constraint 하에서 경로2에서의 잔류응력 예측 성능 (퍼지모델) 134
그림 2.1.22. Restrained constraint 하에서 내부면에서의 잔류응력 예측 성능 (SVR 모델) 136
그림 2.1.23. Free constraint 하에서 내부면에서의 잔류응력 예측 성능 (SVR 모델) 136
그림 2.1.24. Restrained constraint 하에서 경로2에서의 잔류응력 예측 성능 (SVR 모델) 137
그림 2.1.25. Free constraint 하에서 경로2에서의 잔류응력 예측 성능 (SVR 모델) 137
그림 2.2.1. 굽힘하중 작용을 위한 지그 및 로드 셀과 LVDT설치 139
그림 2.2.2. 무결함 곡관시편을 이용한 예비시험 결과 140
그림 2.2.3. 가공된 곡관시편의 형상 141
그림 2.2.4. 감육 곡관 시편의 형상 142
그림 2.2.5. 감육 곡관 시편 결함부 두께 측정 144
그림 2.2.6. 감육 곡관 손상시험 장면 145
그림 2.2.7. 내압에 따른 결함부 변형률 데이터 (SP-6B) 146
그림 2.2.8. 감육결함의 길이에 따른 손상압력 146
그림 2.2.9. 감육결함의 깊이에 따른 손상압력 147
그림 2.2.10. 감육결함의 원주방향 폭에 따른 손상압력 147
그림 2.2.11. 결함이 없는 곡관에서 원주방향 위치에 따른 Hoop 응력의 분포 148
그림 2.2.12. 실제 결함 길이를 고려한 위치에 따른 손상압력 비교 149
그림 2.2.13. 기존 모델에 의해 예측된 손상압력과 손상시험 결과 비교 151
그림 2.2.14. 굽힘하중의 작용에 따른 손상압력 비교 152
그림 2.2.15. 작용하중에 따른 곡관 감육부의 원주방향 변형률 비교 153
그림 2.2.16. 결함 형상과 위치에 따른 손상 특성 비교 156
그림 2.2.17. Θ/π=1.0(360˚) 감육결함의 곡관부 위치별 원주방향 및 측방향 변형률 비교 157
그림 2.2.18. Round 노치시편 158
그림 2.2.19. Round 노치시편의 하중-변위 곡선 158
그림 2.2.20. 적용된 유한요소해석 모델 159
그림 2.2.21. 진응력-변형률 곡선 159
그림 2.2.22. 노치시편 시험과 유한요소 시뮬레이션의 하중-변위 비교 159
그림 2.2.23. 최대 하중과 손상발생에 대한 국부손상기준 160
그림 2.2.24. 감육 직관 시편의 형상 162
그림 2.2.25. 감육 직관 손상시험 장치 162
그림 2.2.26. 감육 직관 손상시험 결과 163
그림 2.2.27. 감육 직관 유한요소 모델 164
그림 2.2.28. 압력-결함부 등가응력 변화 164
그림 2.2.29. 곡관부의 인장시편 채취 위치 165
그림 2.2.30. 인장물성치 평가를 위한 인장시편 형상 165
그림 2.2.31. 유한요소 시뮬레이션에 적용된 곡관의 위치별 진응력-진변형률 곡선 166
그림 2.2.32. 손상시험 시뮬레이션을 위한 유한요소 모델 167
그림 2.2.33. 유한요소 시뮬레이션과 손상시험시 측정된 결함부 표면의 원주방향 변형률 비교 168
그림 2.2.34. 유한요소 시뮬레이션을 통해 계산된 내압에 따른 감육부의 등가 변형률 169
그림 2.2.35. 손상기준에 따른 감육 곡관 손상시험 결과와 예측된 손상압력 비교 결과 170
그림 2.2.36. 변수 해석에 적용된 유한요소해석 모델 173
그림 2.2.37. 내호면 결함의 결함 길이에 따른 손상압력 174
그림 2.2.38. 내호면 결함의 결함 깊이에 따른 손상압력 175
그림 2.2.39. 내호면 결함의 원주방향 결함 폭에 따른 손상압력 176
그림 2.2.40. 360˚ 감육결함의 결함 길이와 깊이에 따른 손상압력 176
그림 2.2.41. 외호면 결함의 결함 길이에 따른 손상압력 177
그림 2.2.42. 외호면 결함의 결함 깊이에 따른 손상압력 178
그림 2.2.43. 외호면 결함의 원주방향 결함 폭에 따른 손상압력 179
그림 2.2.44. 감육 곡관의 손상압력에 미치는 Ro/tnom의(이미지참조) 영향 180
그림 2.2.45. 기존 손상압력 평가모델과 유한요소해석 결과 비교 181
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