[논문]디지털 이미지 상관관계를 이용한 Al 6061-T6 인장시험편의 변형률 측정에 관한 연구

권오헌; 김상태; 강지웅

doi:10.14346/jkosos.2013.28.4.026

Abstract ▼ AI-Helper

A digital image correlation(DIC) method is a whole-field measurement technique that acquires surface displacements and strains from images information which characterized a random speckle as intensity grey levels. Recently years, this DIC method is being developed and used increasingly in various re...

A digital image correlation(DIC) method is a whole-field measurement technique that acquires surface displacements and strains from images information which characterized a random speckle as intensity grey levels. Recently years, this DIC method is being developed and used increasingly in various research. In this study, we tried to apply to aluminum alloy(Al 6061-T6) using DIC method and strain gauge. DIC results demonstrated the usefulness and ability to determine a strain. The test specimen used in this study was an aluminum alloy(Al 6061-T6, thickness 1 mm). For a strain measurement, a strain gauge was attached at the center of a specimen. A specimen was lightly sprayed with a white paint and a black dot pattern was sprayed on its fully dried white surface to obtain a random speckle. The experimental apparatus used to perform the tensile test consisted of universal dynamic tester(5 kN; T.O. Co.) under displacement speed of 0.5, 1.0 and 3.0 mm/min. A Model 5100 B Scanner(V. Co.) used to obtain a strain. A CCD camera connected to a PC uses to record the images of the specimen surface. After acquisition, the images were transferred to PC where the DIC software was implemented. An acquired image was evaluated by the DIC program. DIC method for displacement and strain was suggests and it results show a good consistent remarkably. DIC results demonstrated the usefulness and ability to determine surface strain was better than by using classical measurements. The strain field measurement using a DIC is so useful that it can be applied to map strain distributions at a full area. DIC method can evaluate a strain change so it can predict a location of fracture. The findings of the investigation suggest that the DIC method is an efficient and reliable tool for full-field monitoring and detailed damage characterization of materials.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

본 연구에서는 산업 현장에서 널리 사용되어지고 있는 알루미늄합금(Al 6061-T6)을 DIC기법과 스트레인 게이지를 통해 표면상의 변형율을 측정하여 유효성을 비교 평가하였다. 이를 통해 DIC기법이 재료 및 제품의 전 영역의 변형 상태를 모니터링하고, 세부적인 손상 특징을 규명하는데 필요한 신뢰성과 효율성 평가에 기여할 것으로 판단된다.

제안 방법

DIC기법에 의한 변형율 측정에서 시험편의 정면에 나타나는 변위 및 변형율장의 측정을 위해 인장실험 중 광섬유 조명기를 광원으로 사용하고 1391×1039 pixel을 가지는 고해상도 CCD카메라(QICAM)로 변형영상을 일정간격으로 취득하였다.
본 연구에 사용된 시험기는 소형재료시험기(T.O.사, 5 kN)를 사용하였으며, 인장실험은 0.5, 1.0 및 3.0 mm/min의 변위제어로 상온에서 수행하였다. 스트레인 게이지를 이용한 변형율 측정을 위해 Model 5100B Scanner(V사)를 이용하였다.
스트레인 게이지를 이용한 변형율 측정을 위해 Model 5100B Scanner(V사)를 이용하였다. 이 때 얻어진 신호는 PC에 입력되고, 전용 변형율 해석 프로그램(Strain Smart)을 통하여 신호를 분석, 획득하였다.

대상 데이터

본 연구에 사용 된 실험재료는 두께 1 mm의 Al 6061-T6 알루미늄합금을 사용하였다. Table 1은 시험편 제작에 사용한 Al 6061-T6 알루미늄합금의 화학적 조성을 나타낸다.

성능/효과

1) 스트레인 게이지를 통한 변형율 측정 시 소성변형 및 비교적 큰 변형을 수반하는 재료의 경우 시험편으로부터 게이지 분리현상이 발생하므로 변형율 측정에 불리한 점이 나타났다. 하지만 DIC기법의 경우 초기하중부터 파단 시까지 변형율을 일괄적이고 연속적으로 평가할 수 있으므로 변형율 측정에 대한 신뢰성과 유효성을 확인 할 수 있었다.
2) DIC기법은 전 영역에 나타나는 변형율의 분포를 알 수 있어 대상의 어느 부분에서 최대변형이 일어나는 지를 시각적으로 표현할 수 있다. 이를 통해 위치에 따른 최대변형율 발생지점을 판단할 수 있었다.
3) DIC기법은 시간이 지남에 따라 발생하는 변형율 변화를 파악 할 수 있어 파단이 발생 할 위치를 예측할 수 있다. 이를 실시간평가수법에 확장적용할 경우 재료 및 제품의 세부적인 손상 특징을 규명하는데 유용히 사용될 수있을 것으로 판단된다.
1) 스트레인 게이지를 통한 변형율 측정 시 소성변형 및 비교적 큰 변형을 수반하는 재료의 경우 시험편으로부터 게이지 분리현상이 발생하므로 변형율 측정에 불리한 점이 나타났다. 하지만 DIC기법의 경우 초기하중부터 파단 시까지 변형율을 일괄적이고 연속적으로 평가할 수 있으므로 변형율 측정에 대한 신뢰성과 유효성을 확인 할 수 있었다.

후속연구

3) DIC기법은 시간이 지남에 따라 발생하는 변형율 변화를 파악 할 수 있어 파단이 발생 할 위치를 예측할 수 있다. 이를 실시간평가수법에 확장적용할 경우 재료 및 제품의 세부적인 손상 특징을 규명하는데 유용히 사용될 수있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	DIC기법이란?	DIC기법은 변형체의 내․외부에 발생되는 변위 및 변형 율을 전 영역(full field)에서 평가할 수 있는 방법으로, 무작위로 분포되어 있는 그레이 세기 레벨(gray intensity levels)에 의해 디지털 이미지정보를 분석함으로써 변형 전․후 시험 편의 변형율을 얻을 수 있는 방법이다3,4). 변형 전․후의 디지털 이미지 상관관계를 수학적으로 정의가 명확한 함수를 사용하여 규명함으로써 변형체의 관심 있는 전 영역에서 평가가 가능하다.
	그레이스케일 세기의 상관관계는 어떤 것들에 의존하는가?	P점의 변위는 P점 주위의 미소 서브셋 면적에 있어서 상관관계계수를 최소화하거나 변형 전․후의 그레이스케일 세기의 상호상관계수를 최대화함으로써 얻을 수 있다. 그레이스케일 세기는 변형 전․후에 불변이기 때문에 상관관계는 P점의 원위치와 미지의 변형 파라미터 S벡터에 의존한다. S벡터는 다음 식 (5)5,14)와 같으며 오차함수를 최소화함으로써 최적의 S값을 얻을 수 있다15).
	구조물이 하중을 받을 경우를 대비하기 위한 기본 지침이라 할 수 있는 것은?	일반적으로 구조물이 하중을 받을 경우에는 위험성이 내포되고, 설비 및 기계 구조물의 파손 및 고장이 유발될 수 있다. 그러므로 새로운 설계나 재료는 광범위한 분석 후에 사용되어야 하며, 여러 가지 접근방법으로 변형 및 파손의 횟수를 감소시켜 나가야 할 것이다. 이러한 변형 및 파손에 영향을 미치는 변형율 (strain)과 응력(stress)을 측정하기 위하여 스트레인 게이지 (strain gauge)를 이용한 변형율 측정법, 수치 해석적 기법, 광탄성 실험1) , 모아레 간섭법(Moire Interferometry), ESPI (Electronic Speckle Pattern Interferometry)법2) 및 디지털 이미지 상관관계(Digital Image Correlation : 이하 DIC라고 한다.

참고문헌 (15)

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M. A. Sutton, M. Q. Cheng, W. H. Peters, Y. J. Chao and S. R. McNeill, Application of an Optimized Digital Correlation Method to Planar Deformation Analysis, Butterworth & Co. (Publishers) Ltd, 1986.
J. D. Helm, "Digital Image Correlation for Specimens with Multiple Growing Cracks", Society for Experimental Mechanics, 2007.

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