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문제 정의
- 본 연구에서는 SUS304 소재로 만들어진 프레임 외피 구조 시편에 수냉 시스템을 적용하여 온도 구배를 구현하고, DIC 기법을 적용하여 프레임 외피 구조의 면외 열변형 거동을 다차원으로 측정하고자 하였다.
- Bing Pan[8]의 연구와 같이 푸른색 광원과 대역 필터(band-pass filter)등이 필요해 측정 시스템이 복잡해지게 된다. 본 연구에서는 이런 문제를 해결하기 위해 프레임 외피 구조 시편에 수냉 시스템을 적용하여 저온에서도 효과적으로 외피와 프레임간의 온도 구배를 구현하여 열변형을 성공적으로 측정할 수 있도록 하였다.
제안 방법
- DIC 기법을 이용한 시편 전체 영역에 대한 면외 변위 측정 결과를 3차원으로 표현하였다. Fig.
- DIC 시스템으로 2448×2050 픽셀의 해상도를 가지는 두 대의 디지털 카메라로 구성된 GOM사의 ARAMIS 시스템 사용하였다. DIC 시스템 사용하기에 앞서 DIC의 측정 불확도가 본 시험 목적인 프레임 외피 구조의 면외 열변형 측정에 충분한 지에 대한 정량적 평가를 수행하였다.
- DIC 시스템의 측정 불확도 획득을 위해 Fig. 5와 같이 스페클 패턴을 입힌 시편을 치구에 놓고 면내, 면외 방향으로 이동시키면서 DIC 시스템을 이용하여 변위를 측정하였다.
- 또한 변형을 정량적으로 측정하기 위하여 DIC 기법을 적용하였다. DIC 측정 시 정확성을 판단하기 위해 측정 불확도 평가를 수행하였고, 면내 변위와 면외 변위에 대한 측정 불확도를 확인하였다. 시편 가열 시험에 DIC 기법을 이용하여 시편 외피 영역에 대한 3차원 면외 변위를 측정하였다.
- 1㎛임을 확인하였다. 그리고 마이크로미터의 불확도는 B형 평가를 통해 3.0㎛로 예상하였다. DIC 시스템의 측정 불확도는 확장계수 k를 2로 사용하여 신뢰수준이 약 95%일 때, 면내 6.
- 날개의 포켓 구조를 모사하기 위해 본 연구에서는 Fig. 4와 같이 프레임과 상대적으로 두께가 얇은 박판으로 구성된 프레임 외피 구조 시편을 제작하였다. 프레임 외피 구조는 가로, 세로 120 mm, 높이 10 mm 크기이며 두께 1 mm 외피가 프레임에 레이저 용접으로 접합되었으며 외피와 프레임의 소재로 SUS304를 사용하였다.
- DIC 시스템에 의한 변위 측정시 시편을 향해 디지털 카메라의 시야가 확보되어야 하는 점을 고려하여 열전대 부착 영역은 시편 좌측 하단으로 제한하였다. 냉각수 유로 양쪽에 TC1과 TC2를 부착하고, TC2부터 시편의 박판 중앙부인 TC10 위치까지 5mm 간격으로 열전대를 부착하였다. 열변형 측정 후 결과 분석시 열전대가 부착된 영역을 제외하고 변형량 분석이 수행된다.
- 특히 두 대 이상의 카메라를 사용하면 각 픽셀의 3차원 변위를 측정할 수 있어 시편의 면내 변형과 면외 변형이 모두 측정 가능한 장점이 있다. 따라서 본 연구에서 DIC 기법의 적용하여 프레임 외피 구조의 열변형 측정을 수행하였다. DIC 시스템으로 2448×2050 픽셀의 해상도를 가지는 두 대의 디지털 카메라로 구성된 GOM사의 ARAMIS 시스템 사용하였다.
- 이렇듯 온도 구배로 인해 발생하는 외피의 면외 변형은 비행체의 비행 안정성에도 영향을 미침을 예상할 수 있다. 따라서 본 연구에서 날개 구조를 본 딴 프레임 외피 구조 시편을 제작하고, 시험을 통해 온도에 따른 외피의 면외 변형에 대한 정량적 분석을 수행하였다.
- 온도 구배의 구현을 위해 시편 가열 시 프레임부의 온도 상승을 지연시킬 필요가 있다. 따라서 프레임 내부에 수냉 시스템을 구성하여 냉각수가 순환되도록 설계하였다. 시편 가열 시 외피는 팽창되지만 냉각된 프레임에 의해 외피 접합면에서 열팽창이 지연된다.
- 4). 본 논문에서 온도차 △T는 TC10(시편 중앙부 온도)과 TC1(프레임 온도)의 차이로 정의하였다. 본 연구에서는 최대 △T 136 ℃ 까지 시험을 수행하였다.
- 본 연구에서는 가열 환경에서 프레임 외피 구조 시편의 변형 모사와 측정을 수행하였다. 시편 외피의 3차원 열변형을 효과적으로 모사하기 위해 수냉식 프레임을 고안하여 저온 가열 환경에서도 고온 비행 환경을 모사할 수 있었다.
- 가열 전 시편 외피의 초기 온도는 13 ℃로 측정되었다. 시험 전 시편으로 공급되는 냉각수 관로를 열어 수냉 시스템의 정상 작동 여부를 확인하였다. 시험 중 부가되는 가열량으로 인해 시편이 고정되는 바닥면의 열변형이 발생되어 시편의 강체운동을 유발하지만 측정 후 결과 분석 시 DIC 시스템의 자체 알고리즘을 사용하여 보정하도록 하였다.
- 시험 전 시편으로 공급되는 냉각수 관로를 열어 수냉 시스템의 정상 작동 여부를 확인하였다. 시험 중 부가되는 가열량으로 인해 시편이 고정되는 바닥면의 열변형이 발생되어 시편의 강체운동을 유발하지만 측정 후 결과 분석 시 DIC 시스템의 자체 알고리즘을 사용하여 보정하도록 하였다. 시험 중 DIC 시스템의 측정 불확도가 보장되도록 카메라 보정 시의 주변 온도 20 ℃를 시험 종료 시까지 일정하게 유지시켰다.
대상 데이터
- DIC 기법을 통한 열변형 형상 측정 시험은 총 2개(#1, #2)의 시편으로 수행되었다. 냉각수가 흐르는 프레임부터 시편 박판 중앙부까지 총 10개의 열전대를 부착하였다(Fig.
- DIC 시스템으로 2448×2050 픽셀의 해상도를 가지는 두 대의 디지털 카메라로 구성된 GOM사의 ARAMIS 시스템 사용하였다.
- DIC 기법으로 변형을 측정하기 전에 두 대의 디지털 카메라는 매 시험 전 보정이 필수적으로 요구된다. 본 시험에 앞서 사용된 보정 패널은 GOM/CP20/MV 90 X 72를 사용하였다. 디지털 카메라는 시편으로부터 50 cm 거리를 두고 측정되었으며 두 카메라 사이의 각도는 20.
- 2와 같이 구성하였다. 시편의 온도변화를 K-TYPE 열전대를 이용 하여 측정하였고, DIC 시스템으로 시편 전체 영역의 면내 변위와 면외 변위 데이터를 획득하였다.
- 온도 구배를 정확하게 측정하기 위해 총 10개의 열전대를 시편 전면부, 변형이 발생되는 영역에 부착하였다. DIC 시스템에 의한 변위 측정시 시편을 향해 디지털 카메라의 시야가 확보되어야 하는 점을 고려하여 열전대 부착 영역은 시편 좌측 하단으로 제한하였다.
- 4와 같이 프레임과 상대적으로 두께가 얇은 박판으로 구성된 프레임 외피 구조 시편을 제작하였다. 프레임 외피 구조는 가로, 세로 120 mm, 높이 10 mm 크기이며 두께 1 mm 외피가 프레임에 레이저 용접으로 접합되었으며 외피와 프레임의 소재로 SUS304를 사용하였다. 온도 구배의 구현을 위해 시편 가열 시 프레임부의 온도 상승을 지연시킬 필요가 있다.
데이터처리
- 변위값 차이는 A형 평가를 통해 표준불확도를 구하였다[12]. 측정 결과 변위값 차이의 표준불확 도가 면내 방향으로는 0.
이론/모형
- 시편 외피의 3차원 열변형을 효과적으로 모사하기 위해 수냉식 프레임을 고안하여 저온 가열 환경에서도 고온 비행 환경을 모사할 수 있었다. 또한 변형을 정량적으로 측정하기 위하여 DIC 기법을 적용하였다. DIC 측정 시 정확성을 판단하기 위해 측정 불확도 평가를 수행하였고, 면내 변위와 면외 변위에 대한 측정 불확도를 확인하였다.
- DIC 측정 시 정확성을 판단하기 위해 측정 불확도 평가를 수행하였고, 면내 변위와 면외 변위에 대한 측정 불확도를 확인하였다. 시편 가열 시험에 DIC 기법을 이용하여 시편 외피 영역에 대한 3차원 면외 변위를 측정하였다. 시편의 외피 중앙부와 프레임의 온도차이로 인해외피 중앙부가 부풀어 오르는 현상을 정량적으로 측정할 수 있었다.
성능/효과
- 9는 온도 구배가 가장 컸던 △T 136 ℃에서의 시편 #2 좌굴 형상이다. DIC 기법을 이용함으로써 날개 모사 시편의 △T에 따른 형상을 정량적으로 획득할 수 있어, 시편 프레임과 외피의 온도차이인 △T가 커질수록 시편의 중앙부가 부풀어 오르는 것을 확인할 수 있다. Fig.
- 0㎛로 예상하였다. DIC 시스템의 측정 불확도는 확장계수 k를 2로 사용하여 신뢰수준이 약 95%일 때, 면내 6.2㎛, 면외 8.6㎛로 평가되었다. 현재 시편의 변형을 고려하였을 때, DIC 시스템은 충분한 측정 불확도를 확보하고 있다고 판단된다.
- 본 연구에서는 가열 환경에서 프레임 외피 구조 시편의 변형 모사와 측정을 수행하였다. 시편 외피의 3차원 열변형을 효과적으로 모사하기 위해 수냉식 프레임을 고안하여 저온 가열 환경에서도 고온 비행 환경을 모사할 수 있었다. 또한 변형을 정량적으로 측정하기 위하여 DIC 기법을 적용하였다.
- 10은 3차원으로 측정한 시편 #2의 변형 결과를 이용해서 단면 변위를 온도 구배 변화별로 계산한 결과이다. 온도가 유지되는 프레임 부위 (-60~-40mm, 40~60mm)는 변형이 발생하지 않는데 비해, 얇은 외피의 경우 Fig. 6과 같이 △T가 증가함에 따라 대칭적으로 부풀어 오르는 현상을 정량적으로 확인할 수 있었다. Fig.
- 6은 △T 별로 측정된 온도 분포를 나타낸 것으로, 수냉식 프레임을 사용함으로써 시편 외피에 효과적으로 온도 구배를 인가한 것을 확인할 수 있다. 즉, 비행 중 공력가열에 의해 발생하는 외피의 좌굴 현상을 모사할 수 있음을 확인하였다.
- 변위값 차이는 A형 평가를 통해 표준불확도를 구하였다[12]. 측정 결과 변위값 차이의 표준불확 도가 면내 방향으로는 0.70㎛, 면외 방향으로는 3.1㎛임을 확인하였다. 그리고 마이크로미터의 불확도는 B형 평가를 통해 3.
후속연구
- 만약 시편 포켓의 형상이 달라지고 외피 재료의 구성이 달라진다면 외피 변형 특성이 달라질 것으로 예상된다. 따라서 이렇게 측정된 시편 외피의 정량적인 변위 결과는 추후 날개 포켓 구조 설계, 해석 및 공력 특성 분석 등에 유용하게 활용될 수 있을 것이다.
- 시편의 외피 중앙부와 프레임의 온도차이로 인해외피 중앙부가 부풀어 오르는 현상을 정량적으로 측정할 수 있었다. 향후 본 시험방법을 적용하면, 고온 환경에서 프레임 외피 구조 시편의 변형 거동 특성 연구에 활용할 예정이며, 공력 영향 해석 등에도 활용될 수 있을 것으로 예산된다.
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