굿맨 선도 (Goodman Diagram)
쉽게 풀면
피로시험은 보통 응력이 0을 중심으로 왔다갔다하는 조건에서 하지만, 실제 부품은 늘 일정한 인장을 받은 상태에서 추가로 진동하는 경우가 많습니다. 이렇게 평균응력이 0이 아니면 같은 진폭이라도 훨씬 빨리 파괴되는데, 굿맨 선도는 세로축에 교번응력, 가로축에 평균응력을 두고 피로한도와 인장강도를 직선으로 이어 안전 영역을 표시합니다. 작동점이 이 선 안쪽에 있으면 무한수명으로 판정합니다.
왜 중요한가
실제 기계부품의 하중은 대부분 평균응력을 동반하므로, 평균응력 보정 없이 얻은 피로한도를 그대로 쓰면 수명을 크게 과대평가하게 됩니다. 굿맨 선도는 그 보정을 가장 간단하고 보수적으로 수행하는 방법이어서 설계기준과 교과서에 표준으로 자리 잡았습니다.
논문에서는 이렇게 쓰입니다
진폭과 평균응력을 함께 고려해 부품이 무한수명 영역 안에 얼마나 여유를 두고 있는지를 하나의 숫자로 제시한 것입니다.
조금 더 깊게 보면
평균응력 보정에는 굿맨 직선 외에도 항복강도를 종점으로 하는 소더버그 직선, 인장강도를 제곱항으로 쓰는 거버 포물선 등이 있습니다. 굿맨은 연성 재료에서 다소 보수적이고 거버는 실측에 가깝게, 소더버그는 항복까지 함께 막아 주므로 가장 보수적입니다. 압축 평균응력은 균열을 닫아 주어 오히려 수명에 유리하기 때문에 선도의 왼쪽 영역은 보통 안전측으로 단순화해 다룹니다.
주의할 점
굿맨 선도는 응력 진폭과 평균이 일정한 단순 반복하중을 전제로 하므로, 하중이 불규칙한 경우에는 레인플로 계수법으로 하중을 분해한 뒤 누적손상 법칙과 함께 써야 합니다. S-N 선도가 진폭과 수명의 관계를 나타내는 것과 달리, 굿맨 선도는 평균응력의 영향을 보정하는 도구라는 점에서 역할이 다릅니다.