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제안 방법
- 링 구조물의 열변형을 측정하기 위하여 가열 챔버의 온도를 50 ℃부터 200 ℃까지 5 ℃/min의 속도로 상승시킨다. 5℃ 상승시킨 후 2분 동안 온도를 유지한 후 ARAMIS 시스템으로 시편의 영상을 찍었다. 그림 3은 설정한 가열온도와 실험 중 가열챔버에서 측정된 온도를 표시한 그래프이다.
- DIC를 사용하여 구조물의 변형을 측정할 때에는 구조물의 표면에 스프레이로 대비(contrast)가 높은 스페클 패턴(speckle pattern)을 만들어 주어야 하며 본 연구에서는 흰색과 검정색 페인트를 사용하여 흰색 바탕에 검정색 점이 있는 스페클 패턴을 만들었다. 고온에서 패턴의 변화가 없는 고온용 페인트를 사용하였다.
- 가열챔버는 랩뷰 프로그램으로 제어하며 설정한 온도에 도달하면 ARAMIS 시스템에 디지털 영상을 찍도록 트리거 명령을 줄 수 있게 설계하였다. 그림 1은 ARAMIS 시스템과 가열챔버를 이용한 열변형 측정 시스템을 이용하여 실험하는 사진이다.
- ARAMIS 시스템으로 측정한 링 구조물의 변위 결과는 특정한 부분의 변위가 아니라 시편 전체 영역의 변위여서 변형후의 변위 분포를 쉽게 관찰할 수 있다. 또한 온도에 따른 알루미늄과 티타늄의 물성을 적용하여 유한요소해석을 진행하였으며 구조물이 200 ℃일 때 ARMIS 시스템과 해석결과의 차이는 최대로 9 µm 이었다.
- 본 실험에서는 창이 있는 가열챔버 내부에 링 구조물을 세워 놓고 ARAMIS 시스템의 CCD 카메라로 구조물 표면의 영상을 촬영하였다. 링 구조물은 자유롭게 팽창하도록 아무런 구속조건도 주지 않았으며 내부링을 움직여서 링 구조물의 윗 부분에만 간극이 있도록 조정하였다.
- 본 연구에서는 디지털 영상 보정 기법으로 열 팽창률이 작은 티타늄 외부링과 열팽창률이 상대적으로 큰 알루미늄 내부링으로 구성된 이중링 구조물의 열변형을 측정하였으며 이를 유한요소 해석 결과와 비교분석하였다.
- 본 연구에서는 디지털 영상 보정 기법으로 이중 링 구조물의 열변형을 측정하였다. ARAMIS 시스템으로 측정한 링 구조물의 변위 결과는 특정한 부분의 변위가 아니라 시편 전체 영역의 변위여서 변형후의 변위 분포를 쉽게 관찰할 수 있다.
- 실험과 해석을 수치적으로 비교하기 위하여 직경의 변화를 비교하였다. 200 ℃일 때 내부링의 외경은 실험 158 µm, 해석 150 µm로 8 µm의 차이가 있었고 외부링의 내경은 실험 133 µm, 해석 127 µm로 6 µm의 차이가 있었다.
- 실험에서 이중 링이 지지대에 놓여 있는 것을 모사하기 위하여 외부링 아래쪽의 절점을 고정하여 특이성(singularity)을 제거하였다.
대상 데이터
- DIC를 사용하여 구조물의 변형을 측정할 때에는 구조물의 표면에 스프레이로 대비(contrast)가 높은 스페클 패턴(speckle pattern)을 만들어 주어야 하며 본 연구에서는 흰색과 검정색 페인트를 사용하여 흰색 바탕에 검정색 점이 있는 스페클 패턴을 만들었다. 고온에서 패턴의 변화가 없는 고온용 페인트를 사용하였다.
- 이중 링 구조물의 측정결과와 비교하기 위하여 ANSYS로 비선형 열변형 유한요소해석을 수행하였다. 그림 4의 유한요소 모델은 2400개의 SOLID186 요소로 구성되었고 외부링과 내부링의 접촉하는 부분에는 접촉 요소인 TARGE170을 200개와 CONTA175를 691개 사용하였다.
- 실험에 사용한 이중 링 구조물은 그림 2와 같이 외부링은 열팽창계수가 8.8 × 10-6 m/m/℃인 티타늄이고 내부링은 열팽창계수가 22.5 × 10-6 m/m/℃인 알루미늄으로 이루어져 있다.
데이터처리
- 이중 링 구조물의 측정결과와 비교하기 위하여 ANSYS로 비선형 열변형 유한요소해석을 수행하였다. 그림 4의 유한요소 모델은 2400개의 SOLID186 요소로 구성되었고 외부링과 내부링의 접촉하는 부분에는 접촉 요소인 TARGE170을 200개와 CONTA175를 691개 사용하였다.
이론/모형
- 본 연구에서 사용한 비접촉식 변형측정 장비는 독일 GOM 사의 ARAMIS 시스템 4M이다. ARAMIS 시스템은 두 대의 CCD(coupled charge device) 카메라를 사용하여 구조물의 3차원 영상을 촬영하며 이로부터 구조물의 면내와 면외 변형을 모두 측정할 수 있다.
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