【재료역학】 응력집중현상이란?

응력집중현상이란, 재료역학 시간에 배우는 것처럼 '응력의 국부적인 집중현상으로 물체에 외력을 가했을 때 불규칙한 모양의 부분, 특히 예리하게 도려진 밑부분에는 평활한 부분에 비해 국부적으로 매우 큰 응력이 발생한다.'라고 정의됩니다. 이처럼 응력집중은 물체의 각진 부분이나 단면이 급격하게 변화하는 부분에서 자주 발생합니다. 변형률 집중이라는 말로도 할 수 있습니다. 이 때문에 충분한 실험을 바탕으로 제품을 생산해야 합니다.

응력집중계수란, 응력집중부에 작용하는 최대의 응력과 단면적당 응력과의 비율을 응력 집중 계수라고 합니다. 즉, '최대응력/평균응력'의 값이 응력집중계수입니다. 응력끼리 나누었기 때문에 무차원수라는 것을 예상할 수 있을테고 이 숫자가 높을수록 제품설계가 좋지 못하다는 것을 알 수 있습니다. 계수가 높은 부분의 형상을 완만하게 만들어주면 좋습니다.

위 사진은 ANSYS Program을 이용하여 해석한 사례중에 하나입니다. 원통형 압력용기를 1/4로 잘라서 표현한 것인데, 응력 집중현상을 조금 보여주고 있어 사진을 들고와 봤습니다. 위에서 보이는 것이 빨주노초파남보에서 빨간색으로 갈수록 응력이 높다는 뜻입니다. 위 사진에서와 같이 원통형 압력용기의 원둘레 부분에 최대응력(빨간색 부분)이 많은 것을 확인할 수 있을 겁니다. 만약에 위 상황에서 모서리부분의 라운딩 반지름이 작아질 경우에는 더 큰 응력이 발생하게 될 것입니다. 그리고 빨간색의 분포도가 좁아지면서 확실한 응력집중 현상을 볼 수가 있습니다. 위와 같은 응력 집중 현상이 있구나 정도로만 이해해주시면 좋을 것 같습니다.

이를 방지하기 위해서는 단면의 변화를 차례로 or 천천히 있게 만들고 각진부분에 라운딩 처리를 함으로써 최대한 방지할 수 있습니다. 그리고 표면 거칠기를 정밀하게 하거나 보강재를 결합하는 방법도 있습니다.

아래의 문제를 풀어보시면서 위 개념을 한번더 보신다면 '응력집중' 개념은 다시 공부할 필요가 없을 듯 합니다. 실제 공기업 필기시험에 출제되었던 문제입니다.

[관련 공기업 기출문제]

Q. 다음은 응력집중 현상을 감소시키기 위한 여러가지 방법들이다. 이 중 바르지 않은 것을 모두 고르시오.

a) 응력집중부에 보강재를 결합한다.

b) 단이 진 부분의 곡률반지름을 작게 한다.

c) 단면의 변화가 크도록 한다.

d) 표면 거칠기를 정밀하게 한다.

e) 몇 개의 단면 변화부를 순차적으로 설치한다.

정답은 'b, c' 두가지 입니다. 곡률반지름을 크게하여야만 단이 진 부분에 모서리부분이 완만하게 생겼을 것이고, 단면의 변화가 클수록 응력이 집중되기 때문에 좋지않은 형상이 됩니다. 나머지 a, d, e는 다 맞는 말입니다.