본 연구실은 대형 기간 산업설비의 신뢰성평가를 위하여 기존의 방법의 보수성을 개선한 보다 정확한 새로운 평가기법을 제시하고 구조물 수명평가를 위한 수치해석적 기법을 확립함으로써 궁극적으로 대형 구조물의 신뢰성 기반 설계를 위한 기초연구를 수행하고 있습니다. 또한 국가 경제 발전의 엔진 역할을 담당하고 있는 원자력발전소, 중화학 플랜트, 가스 플랜트 등과 같은 기간 산업설비의 안전성을 정확하고 효율적으로 평가, 관리하기 위한 핵심기술들을 개발하고 있습니다.

2004년 김윤재 교수님 부임 이후 한국전력, 한국가스공사, 과학기술부 등과 함께 10여건 이상의 산학연 공동연구를 수행하여 안전성 평가 분야에 대한 핵심 원천 기술 및 응용 기술을 개발하고 이를 산업계에 적용시켜 왔습니다. 이와 같은 연구성과와 노력으로 2005년에는 과학기술부에서 지정한 원자력기초공동연구소 (BAERI)로 지정되어 차세대 원전기술 개발에 임하고 있으며 국내외적으로 자타가 인정하는 최고의 안전성 평가 연구실로 자리매김하고 있습니다.

뿐만 아니라 본연구실에서는 21세기 차세대 구조물의 안정성 평가 기술 획득의 일환으로 마이크로스케일 (MEMS) 구조물의 신뢰성 평가를 위해 마이크로스케일의 박막에 대한 물성시험 및 평가에 대한 연구와 MEMS 설계에 대한 기반 연구를 수행하고 있습니다.

1. 현상학적 파손모델에 입각한 유한요소 파손해석
(Finite Element Failure Simulations Based on Phenomenological Damage Models)

 

초고온에서 가동되는 Gen IV원전 그리고 수소사회를 위한 수소플랜트/저장용기/운송배관 등과 같은 기기를 설계하기 위해서는 가혹한 환경에 대한 다양한 실기실험(Full-scale test)이 필수적이나, 이에 수반되는 장시간, 고비용 그리고 고위험으로 인해 다양한 실기실험이 매우 어렵다. 이러한 실기실험을 최소화하기 위해서는 다양한 환경하에서 재료의 손상과 파손을 모사할 수 있는 현상학적 모델을 유한요소해석을 통해 구현함으로서 가상적으로 실기실험을 수행할 수 있는 기술적 기반을 구축하는 것이 필요하다.

세부 연구내용은 다음과 같다.
- 연성파괴 현상학적 모델을 이용한 균열 구조물 파손 모사 기법
- 다중 응력부식균열이 존재하는 평판, 튜브 및 배관의 파손 모사 기법
- 준비파괴실험을 통한 재료의 기계적 물성(인장, 파괴인성) 예측 기법
- 크리프 손상역학에 입각한 크리프균열진전 모사 기법
- 구조물 형상 및 하중형태에 의한 구속효과를 고려한 파손 해석 기법
- 금속 내 수소확산 및 수소취화 모사 기법
- 수소유기 균열 진전 모사 기법

 

2. 미래형 플랜트 배관 구조적 설계 및 평가 기법 연구
(Structural Design and Assessment Methods of Pipings for Next-Generation Plants)

 

기존 플랜트배관의 구조적 설계코드는 오랜 경험을 토대로 제시된 DBR(Design by Rule)기법에 기반하고 있다. 이러한 기존 코드는 내재된 상당한 보수성으로 인해 친환경, 고효율, 장수명을 목표로 하는 미래형플랜트 배관 설계에 적용에는 많은 문제점이 존재하여 보수성을 완화할 수 있는DBA(Design by Analysis)에 입각한 배관의 설계 및 평가기법에 대한 연구가 요구된다.

세부 연구내용은 다음과 같다.
- 2차응력을 고려한 비선형(탄소성, 크리프) 파괴역학 기법
- 2차응력에 의한 Elastic follow-up 평가 기법 개발
- 배관 용접부 크리프파단 수명 평가
- 곡관, 분기관 등 복잡한 배관의 한계하중 해석
- 배관균열이 한계하중에 미치는 영향 평가
- 배관 간략 Shakedown/Ratchetting 평가 기법

 

3. 에너지 설비/압력용기 사용적합성 평가
(Fitness for Service Assessment of Pressurized Components for Energy Industry)

 

현재 국내에서 가동되는 에너지설비(원자력, 중화학, 화력, 가스) 중 많은 설비가 사용연한이 증가에 따른 설계수명에 근접하고 있는 실정이다. 국내 산업의 지속성장을 위해서는 가동 중 플랜트의 수명연장이 필수적이며 수명연장 시 설비의 계속 사용 가능성을 공학적으로 판단할 수 있는 사용적합성 평가 기술 개발이 요구된다.

세부 연구내용은 다음과 같다.
- 에너지 설비/압력용기 사용적합성 평가를 위한 유한요소 응력해석
- ASME(American Society of Mechanical Engineers), API(American Petroleum Institute) 코드에 입각한 사용적합성 평가

 

4. 원전이종금속용접부 잔류응력해석 및 균열 평가

 

국내외에서 가동되는 가압경수로원전(PWR)의 1차측 이종금속용접부에서 최근 응력부식균열(PWSCC)이 다수 발견되었으며, 용접 혹은 보수용접 시 생긴 용접잔류응력이 균열의 생성과 진전의 주요 원인 중 하나이다. 따라서 원전 기기의 안전성을 유지하기 위해서는 잔류응력을 완화하는 기법 및 잔류응력을 고려한 균열 평가 기법에 대한 연구가 수행되어야 한다.

세부 연구내용은 다음과 같다.
- 유한요소해석을 이용한 잔류응력 예측 기법 연구
- 유한요소해석을 이용한 오버레이용접 및 피닝해석 기법 개발 및 잔류응력 완화 영향 평가
- 파괴역학해석에 입각한 잔류응력을 고려한 이종금속용접부 허용균열 평가 및 파단 전 누설 해석기법 개발

 

5. 자동차/전자부품 내구성 평가를 위한 피로응력 해석

 

최근 개발되는 자동차/전자 부품의 경우 복잡한 형상으로 인해 응력집중을 유발하는 다수의 구조적 불연속부가 존재하여 부품의 정량적 피로수명 평가에 많은 어려움이 존재한다. 이러한 급격한 형상변화를 가진 부품의 피로수명 평가를 위해 새로운 응력해석 기법이 적용되어야 하며, 최근 미국 바텔연구소에서 제시된 피로평가를 위한 구조응력 해석기법에 대한 연구를 수행한다.

 

이현재, 김윤재, (R A Ainsworth), 오창영
FRACTURE ASSESSMENT WITH ELASTIC FOLLOW-UP FOR COMBINED PRIMARY AND SECONDARY LOADINGS PART 2: NUMERICAL VALIDATION
Engineering Fracture Mechanics, 2020, Vol. 0, No. 0, pp. 0~ 0

황진하, 윤교근, 김훈태 ,김윤재, N. Miura
Ductile tearing simulation of STS410 pipe fracture test under load-controlled large-amplitude cyclic loading: I- effect of load ratio
Engineering Fracture Mechanics, 2020, Vol. 0, No. 0, pp. 0~ 0

(조영범), (박소현), (최혜윤), 정현우, 김윤재, (김응수)
SOPHIA: Development of Lagrangian-based CFD code for nuclear thermal-hydraulics and safety applications
Annals of Nuclear Energy, 2019, Vol. 0, No. 0, pp. 0~ 0