응용 재료 역학

장용훈 , 최흥섭 , 조윤호 , 이강용 지음

연세대학교출판문화원 2024년 05월 10일 출간 종이책 : 2024년 02월 28일 출간

작품소개

책소개

이 책은 탄성학 기초, 접촉역학, 복합재료역학, 재료진단 역학, 재료거동 다섯가지 분야의 특징들을 다룬 책으로, 먼저, 탄성학 편은 수식 유도가 필요한 부분이 많은데 유도 부분을 생략하지 않고 유도 과정을 기록했기 때문에 학생들이 수식이해에 도움이 되고 수식유도에 자신감을 가질 수 있고, 접촉역학 내용에서는 탄성학을 기초로 접 촉현상에 대한 수학 모델링에 대한 설명과 기본식들에 대한 유도 과정이 자세하게 서술이 되어 있으며 접촉역학 에서 기본적으로 다루고 있는 헤르쯔 접촉식 및 마찰에 의한 마이크로 슬립현상을 반영한 카따네오-민드린 식, 그리고 구름접촉식을 자세히 유도 설명하고 있다. 복합재료역학은 주로 경량화 구조체가 요구되는 항공우주분야 의 구조물에 적용되는 섬유보강고분자 재료에 적용되는 역학으로 주로 대학원 1년차에 학습하는 과목으로 최근 지구온난화의 대두와 석유자원의 고갈에 따라 내연기로 재료역학을 이수한 학부학생들도 복합재료역학에 대한 이해와 설계능력의 습득이 요구되고 있다. 재료진단 역학에서는 재료의 손상 정도를 진단하는 재료진단기법 중 실용적이고 사용범위가 넓은 초음파 진단의 이론적 기반인 재료 내 탄성파동의 이론을 설명하고 있으며 실제 응 용 진단 사례를 통해 독자들에게 재료진단의 이론과 실험적 이해를 같이 도울 수 있도록 하였다. 아울러 재료 수 명예측과 신뢰성 판단의 기본 입력 데이터 획득 사례 및 재료 비파괴평가의 다양한 기법과 그 장단점을 비교 소개 하였다. 마지막으로, 재료거동편은 재료 거동의 기본인 인장거동, 파괴거동, 피로거동, 피로파괴거동을 취급하고 있다. 파괴거동에서는 파괴역학의 기본 개념이 소개되고 있으며, 재래식 설계 개념과 파괴역학적 설계 개념의 차 이를 설명하며 항복도 방지하고 파괴도 방지하는 설계법을 소개하고 있다.

목차

제1장 탄성학 기초
1. 텐서표기와 응력텐서
1.1 개설
1.2 좌표변환
1.3 크로네커 델타(kronecker delta)
1.4 응력변환
1.5 주응력

2. 3차원 탄성학
2.1 해의 존재를 위한 요구 조건
2.2 적합방정식(compatibility equations)
2.3 Beltrami-Michell 적합방정식
2.4 Navier 평형 방정식

3. 2차원 탄성학
3.1 평면변형률 상태(plane strain state)
3.2 평면응력 상태(plane stress state)
3.3 응력함수
3.4 극좌표

제2장 접촉역학
1. 개요
2. 접촉거동학
2.1 접촉의 종류
2.2 접촉거동 조건
2.3 접촉영역의 구축

3. 접촉물체의 변형
3.1 그린 함수(Green's function)
3.2 접촉에 대한 적분방정식

4. 헤르츠 접촉 문제(Hertizian contact problem)

5. 접선 하중
5.1 두 개의 반무한 평판의 접촉
5.2 법선방향 접촉문제
5.3 접선방향 변위
5.4 법선-접선 접촉 연성
5.5 아몬톤스-쿨롱 마찰 법칙
5.6 접선방향 접촉문제

6. 까따네오-민드린 문제(Cattaneo-Mindlin's Problem)
6.1 수직 하중 단계
6.2 접촉영역의 전반에 걸쳐 스틱이 발생하는 해
6.3 미끄러짐 영역에서의 해
7. 구름접촉
8. 결여

제3장 복합재료역학
1. 서론
2. 복합재료의 기계적 특성
2.1 응력-변형률 관계(Stress-Strain Relations)
2.2 응력-변형률 관계(Stress-Strain Relations)

3. 고전 적층 이론(Classical Lamination Theory, CLT)
3.1 적층판의 기하학적 변형(Geometric Deformation of Laminate)
3.2 적층판의 k번째 층에 대한 응력-변형률 관계식
3.3 힘-모멘트 평형
3.4 적층판의 상당물성(Equivalent Material Properties of Laminate)
3.5 A,B,D 행렬
3.6 열과 수분에 의한 힘 및 모멘트
3.7 상당 물성의 열팽창계수와 수분팽창계수
3.8 k층에서의 응력 및 변형률

4. 복합재료 적층판의 파손 조건식(Composite Laminate Failure Criterion)
4.1 최대 응력 파손 조건식(maximum stress failure criterion)
4.2 최대 변형률 파손 조건식(maximum strain failure criterion)
4.3 최대 섬유 변형률 파손 조건식(maximum fiber strain failure criterion)
4.4 Tsai-Hill 파손 조건식(Tsai-Hill failure criterion)
4.5 Tsai-Wu 파손 조건식(Tsai-Wu failure criterion)



5. 복합재료 적층판 설계 시 고려할 경험 법칙
6. 엑셀(Excel)을 이용한 고전 적층 이론의 분석
6.1 HLaminate 기능
6.2 적층판의 열·수분·기계적 상당 물성값 및 외력(힘, 모멘트)
6.3 HLaminate 사용법

7. 참고문헌

제4장 재료진단 역학
1. 비파괴검사
1.1 검사법
1.2 NDT(Non-destructive testing )와 SHM(Structural Health Monitoring)

2. 탄성 재료에서의 초음파 비파괴검사 기초 이론
2.1 등방성 탄성 무한체 내에서의 파동이론
2.2 등방성 탄성 박판 재료 내에서의 파동이론(Lamb wave)
2.3 등방성 탄성 원통 재료 내에서의 파동이론
2.4 이방성 탄성 무한체 내에서의 파동이론

3. 초음파 비파괴검사의 주요 현장 응용 사례 소개
3.1 열교환기 설비 진단 기법
3.2 장거리 매설 배관 진단 기법
3.3 수중 관구조물 초음파 진단 기법
3.4 해양 코팅 구조물 진단 기법
3.5 이방성 복합재료에 대한 초음파 진단 기법
3.6 토모그래피를 활용한 초음파 영상 진단 기법
3.7 재료 내 미시 손상 검출을 위한 초음파 비파괴 진단 기법

제5장 재료거동
1. 인장거동
1.1 취성재료와 연성재료
1.2 인장 실험
1.3 Considére 작도법

2. 음향 방출법에 의한 비파괴 평가
2.1 음향 방출법
2.2 음향 방출법의 공학적 적용 예

3. 피로 거동
3.1 피로 하중
3.2 반복 응력-변형률 선도
3.3 S-N 선도
3.4 평균 응력의 영향
3.5 변동 하중
3.6 사이클 횟수 계산법

4. 파괴 거동
4.1 균열과 파괴 역학의 관계
4.2 최대 이론 파괴 강도
4.3 Griffith 모델
4.4 놋치와 균열의 차이
4.5 응력세기계수
4.6 근사 응력세기계수 결정법과 응력세기계수 중첩법
4.7 균열선단 소성역
4.8 파괴 단면의 천이 현상
4.9 평면변형률 파괴인성 시험 및 결과
4.10 파괴 역학적인 설계 방법
4.11 Griffith 이론과 Irwin 이론의 상관 관계
4.12 균열개구 변위, 에너지 해방률, 응력세기계수와의 관계

5. 피로 파괴 거동
5.1 피로 균열 성장률 법칙
5.2 Paris 법칙의 응용
5.3 피로 균열 성장률 시험
5.4 피로 파괴 단면 천이 현상과 피로 균열선단 소성역
5.5 균열 성장 지연 현상

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작가정보

저자(글) 장용훈

현 연세대학교 기계공학부 교수
현 한국트라이볼로지학회장 (2024)
ASME Journal of Tribology, Associate Editor 역임 (2019-2022)

저자(글) 최흥섭

현 홍익대학교, 과학기술대학 기계정보공학과 교수
대한항공 R&D센터 상무대우이사
항공기개발팀/복합재료 그룹(1993-2012)

저자(글) 조윤호

현 부산대학교 기계공학부 교수
현 대한기계학회 부회장 (2022-현재)
제20차 세계비파괴검사 학술대회 및 전시회 의장 (The 20th WCNDT President)
한국비파괴검사학회 부회장 역임 (2018-2019) Journal Ultrasonics Associate Editor (2013-2020)

저자(글) 이강용

현 연세대학교 기계공학부 명예교수 현 한국과학기술한림원 원로회원
현 한국공학한림원 명예회원 대한기계학회 전 회장
대련 이공대학 교수 역임 센디에고 주립대학교 강사역임