샷피닝 비선형 응력 기울기의 영향을 고려한 터빈 디스크 부품의 피로 균열 성장에 관한 유한 요소 기반 및 수치적 방법

초록 기계 부품의 균열 성장은 균열 구역 주위의 잔여 압력 기울기에 영향을 받는다. 샷 피닝은 가스 터빈 엔진 부품에 압축 잔여 압력층을 생성하기 위해 사용되는 냉간 가공 공정 중 하나이다. 항공우주 산업은 기계 부품의 피로 수명을 늘리기 위해 샷 피닝을 자주 사용한다. 본 연구에서는 니켈 기반 초합금 재료로 만들어진 디스크 부품의 기계적 특성을 샷 피닝 잔여 압력 파라미터를 적용하여 수정하였다. 3차원 잔여 압력 수정을 균열이 없는 영역의 유한 요소 모델로 변환한다. 이후, 최대 주 응력 오리엔테이션에서 유한 요소 모델에 반타원형 균열을 도입한다. 최근의 적응형 리메싱 기능이 Ansys SMART를 사용하여 시뮬레이션 중에 활용된다. 균열 전면 요소 분할과 FEM의 각 단계에서 균열 전진은 다양한 파라미터 집합으로 세밀하게 조정된다. 각 시뮬레이션 단계 후, 새로운 균열 전면을 계산하고 유한 요소 모델이 업데이트된다. 이후, 혼합 모드 최대 원주 응력 기준을 사용하여 균열 성장이 실패할 때까지 계산된다. 유사한 절차가 경험적 공식을 이용해 수치적 가중치 함수 솔루션을 생성하기 위해 수행된다. 샷 피닝 효과는 가중치 함수 방법을 사용하여 잔여 응력 강도 계수로 변환된다. Yau의 가중치 함수 공식은 Newman-Raju 표면 균열 솔루션으로 잔여 응력 강도 값을 계산하는 데 사용되었다. 이 잔여 응력 강도 프로필은 주로 압축 응력 방식으로 응력 분포에 영향을 주어 낮은 균열 성장률을 초래한다. 이는 균열 팁 구역의 SIF 변동을 초래한다. 그 시점에서 피로 균열 성장도 수치적 솔루션을 통해 계산된다. 결과는 FEM 기반 혼합 모드 균열 성장과 비교되며 결과의 차이점이 강조된다. 샷 피닝 적용에 대한 FEM 기반 균열 성장 방법의 적용 가능성이 조사된다. 균열 성장 중 샷 피닝 작용 및 표면 잔여 응력의 역할이 강조된다.