KR100785376B1 - 하중전달 경로와 방향전환을 이용한 복합재 구조물고온굽힘시험 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 구조물 고온굽힘시험 장치는 복합재 구조물의 고온 굽힘시험(굴곡시험)용 치구에 관한 것이다. 본 발명은 복합재 구조물의 온도를 상승시키는 한편 수직으로 세워진 시험물에 두 개의 하중 전달 경로를 선택적으로 인가하고 하중의 방향을 변환하면서 굴곡시험을 수행함으로써, 수평 거치식에서의 자중에 의한 복합재의 처짐효과 및 크립효과를 방지할 수 있게 한다. 또한 변형률의 계측 시 상온에서 영점을 맞출 필요가 없이 필요한 계측온도에서 반복적으로 하중을 인가하고 제거하는 방법을 사용함으로써 온도상승에 의한 변형률 계측상의 영점 이동량을 제거하여 복합재 구조물의 고온 굽힘특성을 정확하게 측정할 수 있는 구조물 고온굽힘시험 장치를 제공한다.

복합재 구조물, 고온굽힘 시험

Description

하중전달 경로와 방향전환을 이용한 복합재 구조물 고온굽힘시험 장치 {Apparatus For High Temperature Bending Test of Composite Material Structure Using Load Transfer Path and Direction Switch}

도 1은 고온 굴곡시험용 치구와 시험용 구조물(22)이 조립되어 오븐(21)에 설치된 형상의 정면, 측면, 그리고 평면을 도시하는 전개도,

도 2는 도 1의 전개도 하단에 있는 날개(2)를 도시하는 전개도,

도 3은 도 1의 전개도 하단에 있는 바닥 빔(3)을 도시하는 전개도,

도 4는 도 1의 전개도 좌측의 수직 빔(4)을 도시하는 전개도,

도 5는 도 1의 전개도 상단의 공중 빔(5)을 도시하는 전개도,

도 6은 도 1의 전개도 상단의 롤러 홀더(6)를 도시하는 전개도,

도 7은 도 1의 전개도 상단의 롤러 핀(7)를 도시하는 전개도,

도 8은 도 1의 전개도 상단의 커플링(8)을 도시하는 전개도,

도 9는 도 1의 전개도 하단의 추 홀더(9)를 도시하는 전개도,

도 10은 도 1의 전개도 하단의 플랜지(1)를 도시하는 단면도,

도 11은 도 1의 전개도 우측의 원통형 시험용 구조물(22)를 도시하는 단면도,

도 12는 도 1의 고온 굴곡시험용 치구와 시험용 구조물(22)이 조립되어 오 븐(21)에 실제로 설치된 모습을 나타내는 사진,

도 13은 승온 과정중에 일정한 하중을 가하였다가 다시 제거한 때의 부위별 변형률 신호측정 데이터를 나타내는 그래프,

도 14는 측정된 온도별 데이터를 모아서 각 측정위치끼리 연결한 것을 나타내는 그래프이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

01 : 플랜지　　　　　　　　　　 02 : 날개

03 : 바닥 빔　　　　　　　　　 04 : 수직 빔

05 : 공중 빔　　　　　　　　 06 : 롤러 홀더

07 : 롤러 핀　　　　　　　　　 08 : 커플링

09 : 추 홀더　　　　　　　　　 　 10 : 윈치

11 : 지지용 와이어 로프 12 : 하중인가용 와이어 로프

13 : 이중 연결고리

21 : 오븐 22: 시험용 구조물

본 발명인 구조물 고온굽힘시험 장치는 복합재 구조물의 고온 굽힘시험(굴곡시험)용 치구에 관한 것이다.

기존의 굽힘시험 방법으로는 굽힘시험의 대상인 시험용 구조물을 수평으로 놓은 후에 양 끝단을 시험대로 지지해 놓고 중앙부위를 눌러서 굽힘하중을 인가하거나, 수평으로 놓은 구조물의 한 쪽 끝단을 시험대로 지지하여 반대편 끝단에 하중을 가한 채로 온도를 점차로 상승시켜서 처짐량을 측정하고 굽힘특성을 분석하는 방법이 있다. 이러한 방법을 사용하는 경우 처음에 하중을 인가하였을 때의 처짐량을 기준으로 하며 온도가 상승하였을 때의 상대적인 변화량을 가지고 시험을 진행함으로써 온도 자체의 상승에 의한 계측량의 영점이동 현상이 생길 수 있다. 또한 구조물 자체의 중량에 의한 크립(creep) 특성에 의해 원상복구되지 못하는 처짐량의 발생이 동시에 영향을 미치기 때문에 시험결과의 오차가 커지며 계측 데이터로부터 이러한 오차가 분리되지 못하여 순수한 굴곡변형의 측정이 불가능한 단점이 있다.

본 발명은 복합재 구조물의 온도를 상승시키는 한편 수직으로 세워진 시험물에 두 개의 하중 전달 경로를 선택적으로 인가하고 하중의 방향을 변환하면서 굴곡시험을 수행함으로써, 수평 거치식에서의 자중에 의한 복합재의 처짐효과 및 크립 효과를 방지할 수 있게 하는 것이 목적이다. 또한 변형률의 계측 시 상온에서 영점을 맞출 필요가 없이 필요한 계측온도에서 반복적으로 하중을 인가하고 제거하는 방법을 사용함으로써 온도상승에 의한 변형률 계측상의 영점 이동량을 제거하여 복합재 구조물의 고온 굽힘특성을 정확하게 측정할 수 있는 구조물 고온굽힘시험 장치를 제공하고자 한다.

본 발명인 오븐 내에서 시험용 구조물의 고온굽힘시험을 수행하는 장치는 추를 올려놓을 수 있는 추 홀더, 추 홀더의 수직 방향 위에서 오븐의 상부에 장착되며 와이어를 감을 수 있는 구조를 갖는 윈치, 하부 말단이 추 홀더와 연결되고 상부 말단은 윈치와 연결되어 수직으로 긴 지지용 와이어 로프, 추 홀더의 수직 방향 위에서 고정되어 장착되며 와이어를 감을 수 있는 구조를 갖는 롤러 핀, 하부 말단이 추 홀더와 연결되어 수직으로 뻗고 롤러 핀에 의해 방향이 바뀌어 수평으로 뻗어나가 상부 말단이 시험용 구조물에 연결되는 하중인가용 와이어 로프 및 시험용 구조물과 롤러 핀을 고정시키는 빔 구조물을 포함하여 구성된다.

여기서 빔 구조물은 전후방향으로 길이를 갖고 평면 위에 놓이는 날개, 좌우방향으로 길이를 갖고 평면 위에 놓이며 날개와 한쪽 말단이 결합되는 바닥 빔, 수직방향으로 길이를 갖고 상기 바닥 빔과 하부 말단이 결합되어 수직으로 세워진 수직 빔, 수직 빔의 상부 말단에서 바닥 빔과 평행하여 수평으로 뻗어 나온 공중 빔 및 공중 빔과 같은 방향으로 연장되어 뻗어 나오고 롤러 핀이 고정결합되는 롤러 홀러를 포함하여 구성될 수 있다. 추 홀더 상단에는 이중 연결고리가 부착되고 지지용 와이어 로프와 하중인가용 와이어 로프가 이중 연결고리를 통하여 동시에 연결되는 구조를 가질 수 있다. 이하 도면을 참조하여 구체적으로 그 구조와 기능을 기술하도록 한다.

도 1은 본 발명인 복합재 구조물의 고온굴곡시험용 장치의 정면, 측면, 그리고 평면 형상을 도시한다.

고온굴곡시험용 장치는 대형 오븐(21) 내에 설치되며 온도를 변화시키면서 반복적으로 하중을 인가하고 제거할 수 있도록 한다. 이 때, 시험용 구조물(22)에는 변형률 게이지를 부착할 수 있고 부착된 변형률 게이지로부터 변형 데이터를 받아 저장할 수 있도록 되어 있다.

시험할 대상인 시험용 구조물(22)은 플랜지(1)에 의하여 지지되며 이 플랜지는 바닥 빔(3)으로 구성되는 평면 위에 조립하는데, 이때 빔의 폭이 좁을 경우에 날개(2)를 바닥 빔에 고정하여 자세를 안정시킨다. 바닥 빔(3)에 연결되는 수직 빔(4)은 롤러 홀더(6)를 지지하는데, 이 사이의 간격이 넓을 경우에는 공중 빔(5)으로 중간을 연결할 수 있으며 롤러 홀더(6) 내에 롤러 핀(7)이 설치된다. 롤러 핀(7)은 하중의 인가 방향을 수직에서 수평으로 바꾸어 주는 역할을 한다.

커플링(8)은 시험할 구조물의 상단에 부착하고 롤러 핀(7) 아래에 추 홀더(9)가 위치한다. 윈치(10)는 추 홀더 위의 오븐 상부에 장착되고 와이어를 감을 수 있는 구조를 갖는다. 지지용 와이어 로프(11)는 윈치(10)와 추 홀더(9) 사이에, 그리고 하중 인가용 와이어 로프(12)는 커플링(8)에서 시작하여 롤러 홀더(6)에서 방향을 바꾸어 추 홀더(9)로 연결되는데, 두 개의 와이어 로프는 추 홀더(9) 상단의 이중 연결고리(13)를 통하여 동시에 연결된다.

하중은 추 홀더(9)에서 지지용 와이어 로프(11)을 통해 윈치(10)로 전달되어 외부에서 지지하고 있다가, 윈치(10)를 하강시키면 지지용 와이어 로프(11)는 더 이상 하중을 지지하지 않으며 하중인가용 와이어 로프(12)를 통하여 롤러 핀에서 하중의 방향이 바뀌고 구조물에 부착된 커플링까지 전달되어 시험할 구조물에 굽힘 하중이 가해지게 된다. 자키를 다시 상승시키면 지지용 와이어 로프(11)가 하중을 전담하게 되어서 하중인가용 와이어 로프(12)를 통하여 구조물에 인가되었던 하중이 제거된다.

다음으로, 도 2 내지 도 11을 참조하여, 본 발명을 구성하는 각 부품들의 형상과 결합관계 및 그 기능에 관해 설명하도록 하겠다.

도 2는 도 1의 전개도 하단에 있는 날개(2)를 도시하고, 도 3은 도 1의 전개도 하단에 있는 바닥 빔(3)을 도시한다. 날개(2)와 바닥 빔(3)은 각각 좌우 및 전후 방향으로 긴 형상을 가져 본 고온굽힘시험 장치를 흔들리지 않게 고정하여 궁극적으로는 시험용 구조물(22)을 흔들리지 않게 하는 작용을 한다. 바닥 빔(3)과 날개(2)는 도면에 도시된 바와 같이 이들의 접촉부에 형성된 나사구멍을 통해 볼트결합 할 수 있다. 바닥 빔의 폭을 넓게 하면 날개를 따로 제작하지 않고 일체형으로 구성하는 것도 가능하다.

도 4는 도 1의 전개도 좌측의 수직 빔(4)을, 도 5는 도 1의 전개도 상단의 공중 빔(5)을 도시하고, 도 6은 도 1의 전개도 상단의 롤러 홀더(6)를, 도 7은 도 1의 전개도 상단의 롤러 핀(7)를 도시한다. 바닥 빔(3)과 결합되어 수직방향으로 세워진 수직 빔(4) 그리고 수직 빔(4)의 상단 한 쪽에 결합된 공중 빔(5)을 사용하여 롤러 홀더(6) 및 롤러 핀(7)을 원하는 높이만큼 위치시킬 수 있게 되며, 바닥 빔(3), 수직 빔(4) 및 공중 빔(5) 또한 볼트결합 할 수 있다. 롤러 홀더(6) 내에 설치된 롤러 핀(7)을 통해 하중 인가용 와이어 로프(12)의 방향이 바뀌게 된다. 공중 빔(5)을 길게 하여 롤러 홀더(6)와 일체형으로 구성하는 것이 가능하며, 수직 빔(4)과 공중 빔 (5)을 일체형으로 만들 수도 있다.

도 8은 도 1의 전개도 상단의 커플링(8)을, 도 9는 도 1의 전개도 하단의 추 홀더(9)를, 도 10은 도 1의 전개도 하단의 플랜지(1)를, 그리고 도 11은 도 1의 전개도 우측의 원통형 시험용 구조물(22)를 각각 도시한다. 커플링(8)은 시험용 구조물의 외면 지름과 유사한 지름을 갖는 링 구조이며, 커플링(8)에 시험용 구조물을 삽입하여 롤러 핀(7)과 같은 높이에 위치시킨다. 지지용 와이어 로프(11)는 양 쪽 말단이 각각 윈치(10)와 추 홀더(9) 상단의 이중 연결고리(13)에 연결되어 추 홀더(9)에 가해지는 하중이 윈치(10)에 의하여 지지되게 하는 역할을 하게 된다. 한편 하중 인가용 와이어 로프(12)는 양 쪽 말단이 각각 커플링(8) 그리고 추 홀더(9) 상단의 이중 연결고리(13)에 연결되어 추 홀더(9)에서 인가되는 하중이 시험용 구조물(22)에 인가된다.

도 12는 도 1의 고온 굴곡시험용 치구와 시험용 구조물(22)이 조립되어 오븐(21)에 실제로 설치된 모습을 나타내는 사진이며, 본 발명인 복합재 구조물 고온굽힘시험 장치를 설치하는 방법은 다음과 같다.

고온굽힘시험 장치를 오븐 내(21)에 설치하여 위치를 고정하고 시험용 구조물(22)의 외면에 고온용 스트레인 게이지를 부착하고 구조물 하단을 시험치구의 플랜지(1)에 고정시킨다. 이 때 압축을 받을 게이지의 방향이 추 홀더(9) 쪽을 향하게 한다. 시험용 구조물(22) 상단에 커플링(8)을 체결하고 하중인가용 와이어 로프(12)를 연결한 후, 하중방향 전환용 롤러 홀더(6)의 높이를 시험용 구조물의 길이에 따라 조정한다. 오븐 외부 상단의 윈치(10)를 들어 올려서 추 홀더(9)의 하중을 지지하고 시험물에 하중이 가해지지 않도록 하며 추 홀더에 필요한 중량의 추를 올려 놓아서 하중을 인가할 수 있도록 준비한다. 열전대를 복합재 구조물 상단 및 하단 표면에 각각 1개씩 부착하여 스트레인 게이지 및 열전대를 계측기에 연결하고 오븐의 문을 닫는다.

본 발명을 이용하여 복합재 구조물의 고온굽힘시험을 수행하는 절차는 다음과 같다.

시험온도(순서에 따라 T1, T2, T3 등)에 맞추어 오븐의 온도 프로그램을 설정한 후, 시험용 구조물에 부착된 열전대 신호의 평균값이 설정온도에 다다를 때까지 가열한다. 시험온도에 이르면 계측기의 영점을 맞추고 오븐 외부 상단의 윈치를 내려 구조물이 굽힙하중을 지지하도록 하는데 이 때, 스트레인 게이지의 신호를 계 측하여 기록하고 윈치를 다시 올려 구조물에 인가되었던 하중을 제거한다. 설정온도를 바꾸어 다른 온도에 대하여 시험을 반복해서 최종 시험온도까지의 계측결과를 비교 분석한다.

도 13은 승온 과정중에 일정한 하중을 가하였다가 다시 제거한 때의 측정위치별 변형률 신호측정 데이터를 나타내는 그래프이고, 도 14는 측정된 온도별 데이터를 모아서 각 측정위치끼리 연결한 것을 나타내는 그래프이다. 도 14에서 가로축은 온도를, 세로축은 축방향 스트레인을 나타낸다.

본 장치를 이용하여 복합재의 굽힘시험을 수행할 경우, 하중을 인가하지 않은 채로 온도를 상승시킨 후 필요한 계측온도에서 반복적으로 하중을 인가하고 제거하게 되므로, 온도 상승에 의한 영점이동량을 분리하여 복합재 구조물의 고온 굽힘특성을 정확하게 측정할 수 있다. 한편, 수직으로 세워진 시험용 구조물에 두 개의 하중 전달 경로를 선택적으로 인가하고 롤러 핀이 하중의 인가방향을 직각으로 변환시켜주기 때문에 구조물을 수직으로 놓은 채로 시험이 가능하므로 구조물 자체의 중량에 의한 굽힘효과가 발생하지 않는다. 그리고 짧은 시간내에 하중을 인가한 후 제거함으로써 크립의 문제도 배제시킬 수 있는 장점을 가지고 있다.

Claims (3)

1. 오븐 내에서 시험용 구조물의 고온굽힘시험을 수행하는 장치에 있어서,

   추를 올려놓을 수 있는 추 홀더;

   추 홀더의 수직 방향 위에서 오븐의 상부에 장착되며 와이어를 감을 수 있는 구조를 갖는 윈치;

   하부 말단이 추 홀더와 연결되고 상부 말단은 윈치와 연결되어 수직 방향으로 긴 지지용 와이어 로프;

   추 홀더의 수직 방향 위에서 고정되어 장착되며 와이어를 감을 수 있는 구조를 갖는 롤러 핀;

   하부 말단이 추 홀더와 연결되어 수직으로 뻗어나가고 롤러 핀에 의해 방향이 바뀌어 수평으로 뻗어나가 상부 말단이 시험용 구조물에 연결되는 하중인가용 와이어 로프; 및

   시험용 구조물 하부를 수직으로 세워 고정시키는 플랜지와 롤러 핀을 고정시키는 롤러 홀더를 구비하는 빔 구조물

   을 포함하여 구성되는 구조물 고온굽힘시험 장치.
2. 제1항에 있어서,

   빔 구조물은,

   전후방향으로 길이를 갖고 평면 위에 놓이는 날개;

   좌우방향으로 길이를 갖고 평면 위에 놓이며 날개와 한쪽 말단이 결합되는 바닥빔;

   수직방향으로 길이를 갖고 상기 바닥 빔과 하부 말단이 결합되어 수직으로 세워진 수직 빔;

   수직 빔의 상부 말단에서 바닥 빔과 평행하여 수평으로 뻗어 나온 공중 빔; 및

   공중 빔과 같은 방향으로 연장되어 뻗어 나오고 롤러 핀이 고정결합되는 롤러 홀러를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 구조물 고온굽힘시험 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   추 홀더 상단에 이중 연결고리가 부착되고,

   지지용 와이어 로프와 하중인가용 와이어 로프가 이중 연결고리를 통하여 동시에 연결되는 것을 특징으로 하는 구조물 고온굽힘시험 장치.

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