[논문]이미지 상관법을 이용한 휨 변형률 측정에 관한 연구

최인영; 강영준; 홍경민; 고광수; 이학성

doi:10.7735/ksmte.2014.23.5.498

이미지 상관법을 이용한 휨 변형률 측정에 관한 연구
Study on the Measurement of Flexural Strain Using the Digital Image Correlation in the Three-Point Bending Test 원문보기

한국생산제조시스템학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, v.23 no.5, 2014년, pp.498 - 504

최인영 (Department of Mechanical Design, Graduate School of Chonbuk National University) , 강영준 (Department of Mechanical Design Engineering, Chonbuk National University) , 홍경민 (Department of Mechanical Design, Graduate School of Chonbuk National University) , 고광수 (Department of Mechanical Design, Graduate School of Chonbuk National University) , 이학성 (Department of Mechanical Design, Graduate School of Chonbuk National University)

Abstract ▼ AI-Helper

Displacements and strains are very important for material evaluation as critical factors to a machine's life cycle and safety. Typically, the strain gauge has been employed to measure displacement and strain. However, this contact-type measurement method has disadvantages that are not quantified under the test conditions of a specific object shape, surface roughness, and temperature. In this paper, the measurement of deflection and flexural strain due to the three-point bending test is presented, employing Digital Image Correlation (DIC) methods. In order to ensure measurement reliability, DIC and universal test machine methods were compared by measuring the deflections and flexural strains developed by such bending tests.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 이미지 상관법 계측 시스템을 이용하여 알루미늄 6061 시편의 3점 굽힘 하중에 의한 처짐량과 휨 변형률을 측정하였다. 또한 만능 시험기와 이미지 상관법을 이용한 계측 방법의 결과를 비교하여 이미지 상관법을 이용한 계측 방법의 신뢰성을 확보하기 위한 연구를 진행하여 다음과 같은 결론을 확보할 수 있었다.

제안 방법

또한 중앙 치구 부분뿐만 아니라 사용자가 입력한 각각의 부분에 대한 처짐량이 하나의 지도 형태로 계측된다. 그러므로 1픽셀이 표현하는 실제거리를 이용하여 픽셀단위의 처짐량을 실제 거리로 변환하였으며, 최대 처짐량을 이용하여 만능 시험기와의 오차를 분석하였다.
8은 이미지 상관법을 이용하여 알루미늄 시편의 처짐량 계측을 위한 변형 전 이미지에서 서브셋 분리 좌표를 격자무늬 형태로 나타낸 그림이다. 그림에서와 같이 각각의 격자점에서 서브셋을 추출한 후 변형 후 이미지에서 분리한 각 서브셋과 상관관계를 비교하여 가장 높은 상관관계를 갖는 변형 후 이미지의 서브셋 좌표를 이용하여 물체의 처짐량을 계산하도록 하였다. 변형 전 이미지에서 3점 굽힘 하중에 의한 알루미늄 시편의 처짐량 측정을 위하여 각 격자점의 간격을 1픽셀로 설정하여 총 21,840 (390 * 56 Pixel) 격자 지점의 처짐량을 추적하였다.
측정오차를 줄이기 위하여 시편의 측면과 CCD 카메라가 서로 평행하도록 실험 장치를 구성하였다. 또한 시편의 단면에 할로겐 램프를 이용한 광원을 설치하여 시편 측면 요철에 의한 밝고 어두운 무늬가 무질서하게 발생하도록 하고, 각각의 하중에 의한 물체의 변형 형태를 CCD 카메라로 촬영하였다.
이미지 상관법을 이용한 계측 결과의 경우, 시편의 각각의 지점에 대한 변위 변화를 하나의 지도 형태의 나타낼 수 있어 3점 굽힘 하중에 시편의 인장과 압축 하중의 작용 양상을 측정할 수 있었다. 또한 이미지 상관법을 이용하여 계측한 3점 굽힘 하중에 의한 최대 처짐량을 이용하여 휨 변형율의 측정이 가능하였다.
그림에서와 같이 각각의 격자점에서 서브셋을 추출한 후 변형 후 이미지에서 분리한 각 서브셋과 상관관계를 비교하여 가장 높은 상관관계를 갖는 변형 후 이미지의 서브셋 좌표를 이용하여 물체의 처짐량을 계산하도록 하였다. 변형 전 이미지에서 3점 굽힘 하중에 의한 알루미늄 시편의 처짐량 측정을 위하여 각 격자점의 간격을 1픽셀로 설정하여 총 21,840 (390 * 56 Pixel) 격자 지점의 처짐량을 추적하였다.
또한 이미지의 각각의 지점에 대한 변위 및 변형률의 측정이 가능하여 외력에 의한 물체의 응력 분포 및 결함의 진전 모드의 측정이 가능하다. 본 논문에서는 이미지 상관법 계측 시스템을 이용하여 알루미늄 6061 시편의 3점 굽힘 하중에 의한 처짐량과 휨 변형률을 측정하였다. 또한 만능 시험기와 이미지 상관법을 이용한 계측 방법의 결과를 비교하여 이미지 상관법을 이용한 계측 방법의 신뢰성을 확보하기 위한 연구를 진행하여 다음과 같은 결론을 확보할 수 있었다.
본 논문은 복합재료와의 결합력이 우수하여 제품의 성형을 위하여 많이 사용되고 있는 알루미늄 6061 재료의 3점 굽힘 하중에 의한 처짐량(Deflection) 및 휨 변형률을 상관법을 이용하여 계측 하였다. 또한 상관법을 이용한 계측 결과를 만능시험기의 계측 결과와 비교하여 오차 분석을 수행하여 계측 결과의 신뢰성을 확보하였다.
상관법을 이용한 계측 방법을 이용하여 3점 굽힘 하중에 의한 변형을 측정하여 인장 및 압축 하중의 복합 작용으로 인하여 시편에 가해지는 응력 분포를 계측하였다.
7과 같이 구성하였다. 측정오차를 줄이기 위하여 시편의 측면과 CCD 카메라가 서로 평행하도록 실험 장치를 구성하였다. 또한 시편의 단면에 할로겐 램프를 이용한 광원을 설치하여 시편 측면 요철에 의한 밝고 어두운 무늬가 무질서하게 발생하도록 하고, 각각의 하중에 의한 물체의 변형 형태를 CCD 카메라로 촬영하였다.
일반적으로 상관법을 이용한 계측 방법의 경우, 물체의 변형 전, 후 이미지를 측정하는 CCD 카메라의 개수 및 구성 형태에 따라 달라진다. 한대의 CCD 카메라를 이용하여 물체의 면내 변위를 측정하는 2D 계측 시스템과 두 대의 CCD 카메라를 이용하여 스테레오 비전을 구성, 물체의 면내․외 변위를 동시에 계측 가능한 3D 계측 시스템으로 구분 된다. Fig.

데이터처리

본 논문은 복합재료와의 결합력이 우수하여 제품의 성형을 위하여 많이 사용되고 있는 알루미늄 6061 재료의 3점 굽힘 하중에 의한 처짐량(Deflection) 및 휨 변형률을 상관법을 이용하여 계측 하였다. 또한 상관법을 이용한 계측 결과를 만능시험기의 계측 결과와 비교하여 오차 분석을 수행하여 계측 결과의 신뢰성을 확보하였다.

이론/모형

3은 이미지 상관법을 이용하여 외력에 의한 물체의 변위를 측정하는 방법을 나타낸 그림으로서, 변형 전 이미지의 서브셋과 변형 후 이미지의 서브셋의 상관관계를 분석하여 외력에 의한 물체의 변위 변화를 계측 한다. 또한 각각의 지점에서 측정된 변위를 바탕으로 주변 지점의 변위 예측을 위하여 형상함수(Shape Function) 를 이용한다. 이미지 상관법을 이용한 계측 방법의 경우, 크게 0~2차의 형상 함수가 사용되며, 외력에 의한 물체의 회전 및 전단의 영향을 고려하기 위하여 1차 또는 2차 형상함수를 이용한다.
이미지 상관법을 이용하여 알루미늄 6061 시편의 3점 굽힘 하중에 의한 처짐량의 측정이 가능하였다. 또한 이미지 상관법을 이용한 계측 결과와 만능 시험기를 이용한 계측 결과와의 오차 분석을 통하여 3%미만의 신뢰성을 확보할 수 있었다.

성능/효과

이미지 상관법을 이용하여 알루미늄 6061 시편의 3점 굽힘 하중에 의한 처짐량의 측정이 가능하였다. 또한 이미지 상관법을 이용한 계측 결과와 만능 시험기를 이용한 계측 결과와의 오차 분석을 통하여 3%미만의 신뢰성을 확보할 수 있었다.
이미지 상관법을 이용한 계측 결과의 경우, 시편의 각각의 지점에 대한 변위 변화를 하나의 지도 형태의 나타낼 수 있어 3점 굽힘 하중에 시편의 인장과 압축 하중의 작용 양상을 측정할 수 있었다. 또한 이미지 상관법을 이용하여 계측한 3점 굽힘 하중에 의한 최대 처짐량을 이용하여 휨 변형율의 측정이 가능하였다.
Table 2는 만능시험기와 이미지 상관법을 이용하여 측정한 3점 굽힘 하중에 의한 알루미늄 6061 시편의 처짐량과 그에 따른 오차를 분석한 결과를 나타낸 표이다. 표에서 보듯 이미지 상관법을 이용한 계측 방법과 만능 시험기의 계측 결과를 비교한 결과 3% 미만의 오차를 나타내었다. Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	이미지 상관법은 무엇인가?	이미지 상관법(Digital Image Correlation: DIC)을 이용한 계측 방법은 CCD 카메라를 이용하여 측정한 변형 전, 후 이미지를 분석하여 각각의 지점에 대한 변위 및 변형률 측정하는 비접촉 계측 방법으로서 하중에 의한 결함의 진전이나 응력 분포 형태의 계측이 가능하다. 또한 전자주사현미경(SEM), CT, X-ray 등의 다양한 영상장비와 연동하여 측정이 가능한 장점을 갖고 있어 기존의 접촉식 계측 방법을 대신하여 정밀 측정 분야에 많이 이용하고 있다[1-3,5,7].
	변위 및 변형률의 측정은 대부분 어떻게 이루어지는가?	기계 부품 및 구조물의 평가에 있어 변위 및 변형률의 측정은 매우 중요한 평가 요소 중 하나로서, 대부분 스트레인 게이지 (Strain gauge)와 같은 접촉식 방법을 이용하여 평가한다. 그러나 이러한 접촉식 평가 방법의 경우, 측정 물체의 표면상태, 온도, 습도 및 형상 등의 제약 조건에 의하여 측정이 불가능한 경우가 발생한다.
	스트레인 게이지로 측정할 때 생길 수 있는 문제점은?	기계 부품 및 구조물의 평가에 있어 변위 및 변형률의 측정은 매우 중요한 평가 요소 중 하나로서, 대부분 스트레인 게이지 (Strain gauge)와 같은 접촉식 방법을 이용하여 평가한다. 그러나 이러한 접촉식 평가 방법의 경우, 측정 물체의 표면상태, 온도, 습도 및 형상 등의 제약 조건에 의하여 측정이 불가능한 경우가 발생한다. 또한 접촉 부분에 대한 변위 및 변형률의 측정이 가능하여 접촉 방법 및 위치에 따라 오차가 발생하며, 결함의 진전이나 응력 분포 형태 등을 계측하기 어려운 특성을 갖고 있다.

참고문헌 (8)

Oh, H. K., Kim, S. T., Kang, J. W., 2013, A Study of the Strain Measurement for Al 6061-T6 Tensile Specimen using the Digital Image Correlation, Journal of the Korean Society of Safety 28:4 26-32.

원문보기 상세보기
David, C., Metteo, A., Lori, G. B., Surendra, S., 2007, Digital image correlation analysis of interfacial debonding properties and fracture behavior in concrete, Engineering Fracture Mechanics 74:1 109-212.

상세보기
Bing, P., Kemao, O., Huimin, X., Anand, A., 2009, Two-dimensional digital image correlation for in-plane displacements and strain measurement : a review, Measurement Science and Technology 20:6 1-17.
Bing, P., Wu, D., Xia, Y., 2012, Incremental calculation for large deformation measurement using reliability-guided digital image correlation, Optics and Lasers in Engineering 50:4 586-592.

상세보기
Hongjian, S., Hongwei, J., Coubiao, Y., Xiaoyuna, H., 2013, Shape and deformation measurement system by combining fringe projection and digital image correlation, Optics and Laser in Engineering 51:1 47-53.
Helm, J. D., 2008, Digital Image Correlation for Specimens with Multiple Growing Creacks, Society for Experiment Mechanics 48:6 753-762.

상세보기
Pan, B., We, D., Xia, Y., 2012, An active imaging digital image correlation method for deformation measurment insensitive to ambient light, Optics and Laser in Engineering 44:1 204-209.

상세보기
ASTM D 790, 2010, Standard Test Methods for Flexural Property of Unreinforced and Reinforced Plastics and Electrical Insulating Materials, ASTM-ASTM International, United States of America.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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