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문제 정의
- 본 연구에서는 Flex-PDE 이론해석을 이용한 이론적 기계 구조물 결함진단을 하고자 한다. 그러나 적외선 열화상 기술을 이용한 열 전송 기구는 이론적으로 해석되지 않았다.
가설 설정
- 3) 또한, 한국에서 적외선 열화상 기술을 이용한 볼 베어링의 이상상태 진단감시에 관한연구를 하였고,4,5) 유방암의 적외선 열화상 기술을 이용한 알고리즘을 연구하였다.6,7) 비파괴 진단을 이용한 다양한 기술 중요성의 장점은 우리가 가시적으로 불가능한 결함을 비파괴적으로 안전하게 진단할 수 있다는 점이다.8,9) 여러 가지 구조를 안전하게 관리하고 보수하기 위해, 분리, 구멍, 이물질과 같은 가시적 불가능한 결함의 많은 종류를 감지하는 것이 중요하다.
제안 방법
- 적외선 열화상 장비 증가원인은 비파괴 결함진단의 새로운 가능성을 암시하는 것이며, 이런 이유로 여러 가지 기술의 원격-감지 진단 개발을 가져왔다.1,2) 현재 이 분야에 대한 연구는 일본에서 스테인리스 재료에 적외선 열화상 기술을 이용한 실험과 이론을 비교 분석하였다.3) 또한, 한국에서 적외선 열화상 기술을 이용한 볼 베어링의 이상상태 진단감시에 관한연구를 하였고,4,5) 유방암의 적외선 열화상 기술을 이용한 알고리즘을 연구하였다.
- 1,2) 현재 이 분야에 대한 연구는 일본에서 스테인리스 재료에 적외선 열화상 기술을 이용한 실험과 이론을 비교 분석하였다.3) 또한, 한국에서 적외선 열화상 기술을 이용한 볼 베어링의 이상상태 진단감시에 관한연구를 하였고,4,5) 유방암의 적외선 열화상 기술을 이용한 알고리즘을 연구하였다.6,7) 비파괴 진단을 이용한 다양한 기술 중요성의 장점은 우리가 가시적으로 불가능한 결함을 비파괴적으로 안전하게 진단할 수 있다는 점이다.
- 2에 나타내었다. STS(Stainless steel) 결함구조물을 동일조건에서 이론해석과 실험을 실시하였는데. 이론해석은 Flex-PDE 해석모듈을 사용하였으며, 이를 기반으로 하여 표면온도차를 계산하였다.
- 10) 이것은 적절한 수치적 계산의 도움으로 이론적으로 결함을 평가하는 새로운 비파괴 진단 방식의 연구가 필요하게 되었다. 그래서, 본 연구에서는 편 미분 방정식의 Flex-PDE(Partial Differential Equations) 이론해석 모듈을 이용하여, 여러 구조물의 결함유무를 수치적 해석으로부터 결함의 사이즈와 깊이를 진단한 자료와 동일조건에서의 실험을 통한 결과를 비교분석하였다.
- 동일한 방법으로 STS 결함구조물 1.0mm, 2.5mm, 4.0mm, 6.0mm 열해석을 진행하였으며, 해석에 의한 최대, 최저의 표면온도 차이는 1.1°C, 1.33°C, 1.1°C, 1.32°C 이고 열해석 그래프는 다양한 온도 분포 특성을 나타내고 있다.
- 동일한 방법으로 STS 결함구조물 1.0mm, 2.5mm, 4.0mm, 6.0mm 의 실험을 진행하였으며, 해석한 의한 최대온도와 최저온도의 표면온도 차이는 1.2°C, 1.4°C, 1.2°C, 1.6°C 이다.
- 밀도, 정압비열, 열전달계수는 각각 ρ=7817 kg/m3, Cp=460 J/kg°k, K=16.3W/m°k 이며 가열량, 스테판-볼쯔만 상수, 표면 복사 상수는 각각 Q=70000w, σ=5.67×10-8 w/m2k4 , ε=0.98 로 대입하여 해석하였고, 가열 후 시간은 10sec 후이다.
- 이런 이유로, 여러 가지 기술 적용을 통해 원격-감지 진단의 개발을 초래하였다. 본 연구에서 필요한 수치적 계산은 합리적으로 진단과정을 해석하는데 물리적 모델을 도입 하였다. 수치적 계산은 가열조건, 열물리적 특성, 결함 깊이와 결함 사이즈를 변화시켜 열이 변하는 한계와 진단 기구 사이에 파라미터적 연구를 하기 위함이다.
- 본 연구에서는 일정한 결함을 가진 STS 재료를 Flex-PDE 모듈 해석과 적외선 열화상 실험을 통해 비교 분석하였고 얻은 결과를 정리하면 다음과 같다.
- 본 연구의 가장 중요한 요소는 결함이 있는 시편을 실험과 이론 열해석을 통해 비교하는 것이다. 시편의 재료, 깊이 결함의 길이, 크기에 따른 이론 해석이 가능하고 데이터화가 축척된다면 적외선 열화상 기술로 측정한 온도의 최고점과 최저점의 차이로 구조물을 절단하지 않고 결함의 위치와 크기를 알 수 있는 역설계 비파괴 결함 진단장치 제조의 초석이 될 것이라 사료된다.
- 상부를 제외한 해석은 단열조건이었으며, 상부의 표면 경계조건은 11포인트로 나눠 해석하였고, Tf 주위 공기온도는 20°C 이다.
- 시편 제작은 1/50mm 오차 내에서 가공하였고, 마무리 작업을 위해 연마지 #1000을 사용하였으며, 적외선 열화상장비로 시편을 촬영 시 열점의 온도오차를 줄이기 위해 최종마무리 작업을 폴리싱 처리하였다. 시편의 사이즈와 물성은 아래 Table 2 , 제작한 시편사진은 Fig.
- 실험방법은 일정 크기별로 제작한 STS 시편 표면에 동일한 열 Q=70000W을 가한 후 10초 후 적외선 열화상장비를 이용하여 시편과 500mm 떨어진 위치에서 촬영하여 컴퓨터에 저장하였고, 실험의 정확성을 높이기 위해 밀폐실에서 수행하였다. 이와 같은 동일한 방법으로 결함깊이 종류대로 5개 0.
- 이론해석은 Flex-PDE 해석모듈을 사용하였으며, 이를 기반으로 하여 표면온도차를 계산하였다. 실험은 열화상장비를 사용하여 진행하였고, 실험 후 획득한 자료를 도표화 한 후 표면온도를 측정 처리하여 최종적으로 이론과 실험자료를 비교 분석하였다.
- 이와 같은 동일한 방법으로 결함깊이 종류대로 5개 0.5mm, 1.0mm, 2.5mm, 4.0mm, 6.0mm 측정하였고 대기온도 기준은 20°C를 기준으로 실험하였다.
- 적외선 열화상 기술과 Flex-PDE 를 이용한 STS 구조물의 실험과 이론적 해석은 결함깊이 0.5mm, 1.0mm, 2.5mm, 4.0mm, 6.0mm 순으로 하였으며, Fig. 7, Fig. 8은 결함 깊이 0.5mm에서 이론 해석한 시편의 표면 온도분포 해석위치, 단면 위치에 따른 온도 분포 변화이다. Fig.
대상 데이터
- STS 시편 가열을 위해 기본 내부 규격과 최고온도가 400×350×300, 1150°C인 Engineering Heater 를 사용하였고, Fig. 4 에 나타내었다.
데이터처리
- STS(Stainless steel) 결함구조물을 동일조건에서 이론해석과 실험을 실시하였는데. 이론해석은 Flex-PDE 해석모듈을 사용하였으며, 이를 기반으로 하여 표면온도차를 계산하였다. 실험은 열화상장비를 사용하여 진행하였고, 실험 후 획득한 자료를 도표화 한 후 표면온도를 측정 처리하여 최종적으로 이론과 실험자료를 비교 분석하였다.
이론/모형
- 본 연구에서는 Flex-PDE 해석 모듈의 (3), (4) 식을 이용하여 열해석을 하였다. 밀도, 정압비열, 열전달계수는 각각 ρ=7817 kg/m3, Cp=460 J/kg°k, K=16.
성능/효과
- 1) STS 재료의 Flex-PDE 모듈 해석과 적외선 열화상 실험의 표면 온도 차이는 실험이 평균 0.14도 높아 모듈해석의 타당성을 확인하였다.
- 2) 결함깊이 2.5mm까지 열해석과 실험의 표면온도차이가 완만하게 상승하고, 결함깊이 4.0mm까지 표면온도차이가 하강 곡선을 그리다가 이후로 다시 상승하였다.
- 3) 최대의 표면온도차이가 나는 결함 깊이는 6.0mm이며, 결함 깊이가 클수록 표면에 가까울수록 표면온도 차이는 증가한다.
- 4) 결함크기가 작은 0.5mm, 1.0mm는 시편 하단에서 큰 4.0mm, 6.0mm는 중심부에서 높은 온도가 형성됐으며 나머지 부분에서는 예상하기 어려운 온도 분포를 보이고 있다.
- 추후 더 정학한 연구를 위해서는 1/100mm 표면조도의 정밀한 가공이 필요 할 것이라 사료 된다. 결함깊이 2.5mm와 4.0mm에서 온도차가 이론해석과 실험 모두 극값을 보여 실험과 열핵석 자료의 타당성을 확인할 수 있었다. 또한, 결함깊이가 증가함에 따라 온도차이도 완만하게 증가함을 알 수 있고, 결함길이와 재질별 이론 열해석 및 실험은 앞으로 더 심도 있게 연구가 있어야 될 것으로 사료된다.
- 10은 시편 내부의 온도 분포를 해석한 사진이다. 열확산 후 시편 내부의 온도는 결함주위가 낮고 표면에 가까울 수록 온도가 높음을 알 수 있다.
- 전반적으로 실험한 표면 온도 차이가 해석한 것 보다 평균 0.14도 높은 이유는 가열량을 정확히 맞추기 어려운 실험조건으로 생각되며, 결함깊이 6mm에서 표면온도차가 높은 이유는 실험 시편 표면조도를 1/50mm 까지 연마한 한계라 생각된다. 추후 더 정학한 연구를 위해서는 1/100mm 표면조도의 정밀한 가공이 필요 할 것이라 사료 된다.
후속연구
- 끝으로 Flex-PDE 모듈 해석과 적외선 열화상 실험은 앞으로 더 많은 연구가 진행되고 자료가 축척된다면 비파괴 검사의 새로운 모듈이 될 거라 사료된다.
- 0mm에서 온도차가 이론해석과 실험 모두 극값을 보여 실험과 열핵석 자료의 타당성을 확인할 수 있었다. 또한, 결함깊이가 증가함에 따라 온도차이도 완만하게 증가함을 알 수 있고, 결함길이와 재질별 이론 열해석 및 실험은 앞으로 더 심도 있게 연구가 있어야 될 것으로 사료된다. Fig.
- 본 연구의 가장 중요한 요소는 결함이 있는 시편을 실험과 이론 열해석을 통해 비교하는 것이다. 시편의 재료, 깊이 결함의 길이, 크기에 따른 이론 해석이 가능하고 데이터화가 축척된다면 적외선 열화상 기술로 측정한 온도의 최고점과 최저점의 차이로 구조물을 절단하지 않고 결함의 위치와 크기를 알 수 있는 역설계 비파괴 결함 진단장치 제조의 초석이 될 것이라 사료된다. Fig.
- 14도 높은 이유는 가열량을 정확히 맞추기 어려운 실험조건으로 생각되며, 결함깊이 6mm에서 표면온도차가 높은 이유는 실험 시편 표면조도를 1/50mm 까지 연마한 한계라 생각된다. 추후 더 정학한 연구를 위해서는 1/100mm 표면조도의 정밀한 가공이 필요 할 것이라 사료 된다. 결함깊이 2.
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