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문제 정의
- 본 연구에서는 미세 단층 영상을 이용하여 삭마 복합재료의 전산 모델링 및 해석을 수행하였다. 탄소 /페놀릭 복합재료의 삭마 실험은 0.
- 시편의 기공도 증가에 따라 산출된 유효 물성이 저하되는 경향을 보였다. 이를 통해 기공도 및 분포가 재료의 유효 물성에 영향을 끼침을 확인하였다. 따라서 다공성 효과가 나타나는 삭마 복합재료의 정확한 거동을 예측하기 위해서는 실제 기공을 반영한 전산 모형의 사용이 필요함을 확인하였다.
제안 방법
- 후처리 프로 그램은 단층 영상 생성 및 보정을 위해 NRecon을 사용하였고, 이진화(Binarization) 및 기공도, 밀도 분석을 위해 CTAn을 사용하였다. 기공도 분석을 위해 적절한 임계값(Thresholding Value)을 설정하였다. 밀도 분석을 위해 흑연과 페놀릭 재료로 구성한 기준 시편을 제작하여 촬영하였고, 이를 분석하여 밀도 캘리브레이션을 수행하였다.
- 개발된 전산 모형을 통해 시편의 상단부로 갈수록 기공도가 증가함을 확인하 였다. 또한, 전산 모형의 유한요소 해석을 통해 삭마 실험 전후 복합재료 내부의 유효 물성을 예측하였다. 시편의 기공도 증가에 따라 산출된 유효 물성이 저하되는 경향을 보였다.
- 4MW 아크 가열 풍동을 이용하여 수행하였다. 미세 단층 촬영기 (Micro-CT)로 삭마 실험 전후의 복합재료 시편을 촬영하여 이진화된 단층 영상을 생성하였다. 생성된 이 진화 영상을 활용하여, 삭마 복합재료의 실제 미시 구조가 반영된 전산 모형을 개발하였다.
- 기공도 분석을 위해 적절한 임계값(Thresholding Value)을 설정하였다. 밀도 분석을 위해 흑연과 페놀릭 재료로 구성한 기준 시편을 제작하여 촬영하였고, 이를 분석하여 밀도 캘리브레이션을 수행하였다. 생성된 단층 영상을 분석하여 정량적인 기공도와 밀도를 산출하였다.
- 본 연구에서는 미세 단층 영상 기반 삼차원 전산 모형을 이용하여 삭마 복합재료의 유효 물성을 산출 하였다. 탄소/페놀릭 복합재료의 삭마 실험은 0.
- 삼차원 모형을 재료 영역과 기공 영역인 2개의 그룹으로 분할하는 과정을 거쳐서 분할(Segmented) 모형을 생성하였다. 분할 모형을 통해 FE Grid 방식으로 1개의 복셀(Voxel)을 5개의 이차 사면체(Quadratic Tetrahedra) 요소로 메싱(Meshing)하여 전산 모형을 생성하였다. 개발된 전산 모형은 90×90×90 복셀로 이루어져있고, 모델에 관한 정보는 Table 1과 같다.
- 삭마 실험 전후의 영상을 기반으로 개발된 전산 모형을 이용하여 유효 탄성 계수를 산출 하였다. 시편 높이에 따른 전산 모형의 기공도 및 3 방향 탄성 계수 결과를 Fig.
- 촬영된 영상을 보정하여 마이크로미터 단위의 간격으로 단층 영상을 생성하였다. 생성된 단층 영상은 Simpleware를 이용하여 전산 모형을 개발하 는데 활용되었으며, 실제 기공 형상이 반영된 9종의 전산 모형을 개발하였다. 개발된 전산 모형을 통해 시편의 상단부로 갈수록 기공도가 증가함을 확인하 였다.
- 밀도 분석을 위해 흑연과 페놀릭 재료로 구성한 기준 시편을 제작하여 촬영하였고, 이를 분석하여 밀도 캘리브레이션을 수행하였다. 생성된 단층 영상을 분석하여 정량적인 기공도와 밀도를 산출하였다.
- 미세 단층 촬영기 (Micro-CT)로 삭마 실험 전후의 복합재료 시편을 촬영하여 이진화된 단층 영상을 생성하였다. 생성된 이 진화 영상을 활용하여, 삭마 복합재료의 실제 미시 구조가 반영된 전산 모형을 개발하였다. 영상 기반 전산 모형은 시편 횡방향의 특정 영역의 영상을 적층하여 개발하였다.
- 4 MW 분절형(Segmented Type) 아크 가열 풍동을 이용하여 삭마 실험하였다. 실험은 유동 속도가 Mach 2, 총 압력 전력이 83kW인 조건으로 수행하였으며, 15초 동안 플라즈마 유동에 노출시켜 실험하였다.
- 영상 기반 전산 모형은 Synopsys사의 Simpleware를 이용하여 이진화 영상을 적층하여 삼차원 모형을 개발하였다. 영상 기반 전산 모형의 개발 절차를 Fig.
- 생성된 이 진화 영상을 활용하여, 삭마 복합재료의 실제 미시 구조가 반영된 전산 모형을 개발하였다. 영상 기반 전산 모형은 시편 횡방향의 특정 영역의 영상을 적층하여 개발하였다. 전산 모형은 실험 전 시편 영상 에서 1개, 실험 후 시편 영상에서 8개, 총 9개의 전산 모형을 개발하였다.
- 전산 모형은 실험 전 시편 영상 에서 1개, 실험 후 시편 영상에서 8개, 총 9개의 전산 모형을 개발하였다. 영상 기반 전산 모형을 통해 삭마에 의한 유효 물성을 예측하였으며, 기공도 증가에 따른 유효 물성 저하를 확인하였다.
- 전산 해석은 총 6번의 해석을 통해 6×6 유효 강성 텐서를 산출한다. 이 텐서의 결과를 통해 유효 탄성 계수를 산출하였다.
- 영상 기반 전산 모형은 시편 횡방향의 특정 영역의 영상을 적층하여 개발하였다. 전산 모형은 실험 전 시편 영상 에서 1개, 실험 후 시편 영상에서 8개, 총 9개의 전산 모형을 개발하였다. 영상 기반 전산 모형을 통해 삭마에 의한 유효 물성을 예측하였으며, 기공도 증가에 따른 유효 물성 저하를 확인하였다.
- 전산 해석은 Simpleware의 솔리드(+Solid) 모듈과 라플라스(+Laplace) 모듈을 이용하여 수행하였다. 솔리드 모듈은 탄성 정적(Elastostatic) 해석하는데 활용하였고, 라플라스 모듈은 열전달 해석에 활용하였다.
- 초고온 환경에 노출되었을 때 탄소/페놀릭 복합재료의 내부 특성 변화를 분석하기 위해, 전북대학교 고온플라즈마응용연구센터에서 보유하고 있는 0.4 MW 분절형(Segmented Type) 아크 가열 풍동을 이용하여 삭마 실험하였다. 실험은 유동 속도가 Mach 2, 총 압력 전력이 83kW인 조건으로 수행하였으며, 15초 동안 플라즈마 유동에 노출시켜 실험하였다.
- 삭마 실험 전후 복합재료 시편은 Micro-CT를 이용하여 촬영되었다. 촬영된 영상을 보정하여 마이크로미터 단위의 간격으로 단층 영상을 생성하였다. 생성된 단층 영상은 Simpleware를 이용하여 전산 모형을 개발하 는데 활용되었으며, 실제 기공 형상이 반영된 9종의 전산 모형을 개발하였다.
- 본 연구에서는 미세 단층 영상을 이용하여 삭마 복합재료의 전산 모델링 및 해석을 수행하였다. 탄소 /페놀릭 복합재료의 삭마 실험은 0.4MW 아크 가열 풍동을 이용하여 수행하였다. 미세 단층 촬영기 (Micro-CT)로 삭마 실험 전후의 복합재료 시편을 촬영하여 이진화된 단층 영상을 생성하였다.
- 본 연구에서는 미세 단층 영상을 이용하여 삭마 복합재료의 전산 모델링 및 해석을 수행하였다. 탄소 /페놀릭 복합재료의 삭마 실험은 0.4MW 아크 가열 풍동을 이용하여 수행하였다. 미세 단층 촬영기 (Micro-CT)로 삭마 실험 전후의 복합재료 시편을 촬영하여 이진화된 단층 영상을 생성하였다.
- 44 μm이다. 후처리 프로 그램은 단층 영상 생성 및 보정을 위해 NRecon을 사용하였고, 이진화(Binarization) 및 기공도, 밀도 분석을 위해 CTAn을 사용하였다. 기공도 분석을 위해 적절한 임계값(Thresholding Value)을 설정하였다.
대상 데이터
- 개발한 전산 모형은 총 9종이며, 실험 전 시편 영상으로 개발된 1종과 실험 후 시편 영상으로 개발된 8종이 있다. 실험 후 시편 영상으로 생성된 8종의 전산 모형은 Fig.
- 본 연구에 사용된 영상에서 1 복셀은 5.44×5.44×5.44mm3 크기의 정육면체이다.
- 실험 전후 시편은 한국과학기술연구원의 미세 단층 촬영기(SkyScan 1172, Bruker Corp.)를 사용하여 단층 촬영되었다. 촬영된 영상의 높이는 약 10 mm 이며, 1 픽셀당 분해능은 5.
- 촬영된 영상의 높이는 약 10 mm 이며, 1 픽셀당 분해능은 5.44 μm이다.
이론/모형
- 먼저 이진화 영상을 적층하여 삼차원 모형을 생성한다. 삼차원 모형을 재료 영역과 기공 영역인 2개의 그룹으로 분할하는 과정을 거쳐서 분할(Segmented) 모형을 생성하였다. 분할 모형을 통해 FE Grid 방식으로 1개의 복셀(Voxel)을 5개의 이차 사면체(Quadratic Tetrahedra) 요소로 메싱(Meshing)하여 전산 모형을 생성하였다.
- 전산 해석은 Simpleware의 솔리드(+Solid) 모듈과 라플라스(+Laplace) 모듈을 이용하여 수행하였다. 솔리드 모듈은 탄성 정적(Elastostatic) 해석하는데 활용하였고, 라플라스 모듈은 열전달 해석에 활용하였다.
성능/효과
- 각 그래프의 검은색 파선은 재료의 물성 데이터를 의미한다. 3 방향 탄성 계수와 마찬가지로 1, 2 방향 탄성 계수, 전단 탄성 계수 또한 시편 표면으로 갈수록 유효 물성이 저하되는 것을 확인하였다. 시편의 표면으로 갈수록 푸아송 비는 불규칙한 경향을 보인다.
- 생성된 단층 영상은 Simpleware를 이용하여 전산 모형을 개발하 는데 활용되었으며, 실제 기공 형상이 반영된 9종의 전산 모형을 개발하였다. 개발된 전산 모형을 통해 시편의 상단부로 갈수록 기공도가 증가함을 확인하 였다. 또한, 전산 모형의 유한요소 해석을 통해 삭마 실험 전후 복합재료 내부의 유효 물성을 예측하였다.
- 9%까지 증가함을 보였다. 또한, 3 방향 탄성 계수는 실험 전 76.3 GPa, 실험 후 8.1 GPa로 저하됨을 확인하였다. 삭마 실험 도중 발생하는 열분해 현상으로 인해 시편의 기공도는 표면으로 갈수록 증가하였고, 이에 따라 유효 탄성 계수가 저하됨을 확인하였다.
- 솔리드 모듈에서 제공하는 경계조건에는 3가지가 있으며, 각각 정적 균일(Static Uniform), 동적(Kinematic) 균일, 혼합(Mixed) 균일 경계 조건이다. 본 연구에서 개발된 전산 모형은 경계면에 기공이 존재하고, 이러한 전산 모형에 하중을 경계면에 부여할 경우 경계면의 기공 영역에서 변형도가 0으로 산출되므로 하중을 경계면에 부여하는 정적 균일 경계 조건은 적절하지 않았다. 혼합 균일 경계 조건은 동적 균일 경계 조건과 정적 균일 경계 조건이 적절하게 혼합된 형태이며, 등방성 모형과 직교 이방성 모형 해석에 적절하다.
- 1 GPa로 저하됨을 확인하였다. 삭마 실험 도중 발생하는 열분해 현상으로 인해 시편의 기공도는 표면으로 갈수록 증가하였고, 이에 따라 유효 탄성 계수가 저하됨을 확인하였다. 영상 기반 전산 모형 해석을 통해 산출한 탄성 계수, 푸아송 비, 전단 탄성 계수 결과를 Fig.
- 4에 제시하였다. 실험 전 시편은약 1.2% 내외의 균일한 기공도를 보였으며, 삭마 실험 후에는 기공도가 32.9%까지 증가함을 보였다. 또한, 3 방향 탄성 계수는 실험 전 76.
- 검은색 파선은 재료의 물성 데이터를 의미한다. 유효 탄성 계수와 마찬가지로 유효 열전도도 또한 시편의 표면으로 갈수록 저하되는 경향을 보이며, 3 방향 열전도도 저하율이 1, 2방향 열전도도 저하율보다 높은 것을 확인하였다. 이는 유효 탄성 계수처럼 유효 열전도도 역시 기공도 증가 및 기공 분포에 영향을 받는 것으로 추정된다.
후속연구
- 향후 영상 기반 전산 모형을 이용한 삭마 복합재 료의 내부 분석의 신뢰성 향상시키기 위해서 모델링 확충을 통해 시편 전체의 유효 물성 변화에 대한 경향을 확인할 수 있을 것으로 보인다. 또한 재료의 섬유, 기지, 기공 3상을 구분하여 촬영한 영상 기반의 전산 모형을 개발한다면 본 연구보다 더 신뢰성 있는 데이터를 얻을 수 있을 것으로 판단된다.
- 향후 영상 기반 전산 모형을 이용한 삭마 복합재 료의 내부 분석의 신뢰성 향상시키기 위해서 모델링 확충을 통해 시편 전체의 유효 물성 변화에 대한 경향을 확인할 수 있을 것으로 보인다. 또한 재료의 섬유, 기지, 기공 3상을 구분하여 촬영한 영상 기반의 전산 모형을 개발한다면 본 연구보다 더 신뢰성 있는 데이터를 얻을 수 있을 것으로 판단된다.
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