KR101026421B1 - 탄성 변형 에너지를 이용한 충격파 발생 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 인장 하중을 받는 당김 봉으로부터 인장 하중을 전달받아 탄성 변형 에너지로 저장하는 에너지 봉을 상기 당김 봉과 연결수단으로 연결하고, 상기 연결수단이 상기 당김 봉으로부터 에너지 봉으로 전달되는 인장 하중을 차단하는 임계 인장 하중을 설정하며, 상기 연결수단에 임계 인장 하중을 부여하여 상기 에너지 봉으로 전달되는 인장 하중을 차단함으로써 상기 에너지 봉에 저장된 탄성 변형 에너지가 순간적으로 해방되면서 충격파를 발생시키도록 하는 것을 요지로 한다.
본 발명은 종래의 방법들에 비해 사용이 용이하고 안전하며 경제적인 효과가 있는 발명으로서, 각종 재료나 구조물의 충격시험, 폭발성 발파재료를 사용하지 않는 기존 사회기반 시설물의 제거, 말뚝의 항타 등 충격 하중이 요구되는 여러 사용처에 적용될 수 있다.
충격파, 탄성 변형 에너지, 에너지 봉, 당김 봉, 연결수단, 인장, 충격

Description

탄성 변형 에너지를 이용한 충격파 발생 장치 및 방법{Impact pulse generating apparatus and method using elastic strain energy}
본 발명은 재료 또는 구조물의 충격 거동을 시험하거나 각종 시설물을 파괴 및 제거하기 위한 충격파를 발생시키되, 그 충격파를 탄성 변형 에너지로부터 발생시키는 것을 특징적인 기술로 하는 탄성 변형 에너지를 이용한 충격파 발생 장치 및 방법에 관한 것이다.
고속의 충격파는 재료 또는 구조물의 충격 거동을 시험하는 데에 적용되기도 하고, 노후화한 건축물 또는 토목 시설물 및 사회간접자본 시설물을 파괴 및 제거하는 데에 적용되기도 한다. 이러한 고속의 충격파를 발생시키는 데에는 다양한 방법들이 강구되어 있는데, 일반적으로 알려진 방법으로는 위치에너지를 이용하는 방법과 운동에너지를 이용하는 방법 및 유압을 이용하는 방법의 세 가지가 있다.
위치에너지를 이용하는 방법은 크기가 큰 물체를 특정 높이의 위치에서 저속으로 자유 낙하시켜 시험체를 타격하는 방법으로서, 그 예로는 샤르피(Charpy) 방 식, 아이조드(Izod) 방식, 낙하식(Drop Weight Method) 등이 잘 알려져 있다. 그런데, 위치에너지를 이용하는 방법은, 매우 높은 낙하 높이와 안정적인 기초를 필요로 하기 때문에 장비의 설치를 위한 공간이 커지고, 고속이 아닌 중간 정도의 충격 속도만을 발생하는 단점이 있다.
또, 운동에너지를 이용하는 방법은 작은 크기의 물체를 매우 빠른 속도로 이동시켜 시험체를 타격하도록 하는 방법으로서, 가스총 방식(Gas Gun Method)과 스플릿-홉킨슨 입력 바(Split-Hopkinson Pressure Bar)가 그 예이다. 이러한 운동에너지를 이용하는 방법은 발파재료를 필요로 하는데, 발파재료의 폭발에 의해 작은 크기의 물체가 추진되어 목표물을 향해 날아가서 충돌을 한다. 그런데, 이 방법은 매우 빠른 속도의 충격파를 발생시킬 수 있지만, 발파재료 또는 압축가스를 사용하기 때문에 위험부담이 따르는 문제가 있다.
유압을 이용하는 방법은 유압 펌프와 유압 조절 밸브 등을 구비한 유압기계를 사용하여 충격파를 발생시키는 방법으로서, 매우 정교하게 설계된 유압기계를 사용할 경우, 충격하중의 크기와 속도를 조절할 수가 있다. 하지만, 유압을 이용하여 발생시킬수 있는 충격하중의 속도가 다른 방법들과 비교하여 매우 느리고 비용도 많이 소요되는 문제가 있다.
본 발명은 전술한 바와 같은 종래의 충격파 발생 방법들이 갖는 문제점을 개선하기 위한 것으로서, 그 목적은, 필요 장비의 크기와 요구되는 공간이 작고, 위험부담이 없이 안전하며, 충분한 충격파를 발생시킬 수 있을 뿐만 아니라 비용면에서도 경제적인 탄성 변형 에너지를 이용한 충격파 발생 장치 및 방법을 제공하는 데에 있다.
위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 인장 하중을 받는 당김 봉과, 상기 당김 봉에 가해지는 인장 하중을 전달받아 탄성 변형 에너지로 저장하되 상기 인장 하중이 차단되면 상기 탄성 변형 에너지로부터 충격파를 발생시켜 충격대상물에 충격파를 가하는 에너지 봉과, 상기 당김 봉과 상기 에너지 봉을 연결하여 당김 봉의 인장 하중을 에너지 봉으로 전달하되 임계 인장 하중에서 상기 에너지 봉으로 전달되는 인장 하중을 차단하게 되는 연결수단을 포함하여 이루어진 탄성 변형 에너지를 이용한 충격파 발생 장치를 제공한다. 여기서, 상기 에너지 봉은 상기 충격대상물과 간격이 없이 연결되거나 간격을 두고 배치될 수 있다. 또, 상기 에너지 봉에는 충격 속도를 조절하기 위한 다양한 무게의 중량체가 선택적으로 부착될 수 있다.
또, 본 발명은, 인장 하중을 제공하는 인장수단과, 상기 인장수단으로부터 인장 하중을 받는 당김 봉과, 상기 당김 봉에 가해지는 인장 하중을 전달받아 탄성 변형 에너지로 저장하되 상기 인장 하중이 차단되면 상기 탄성 변형 에너지로부터 충격파를 발생시키는 에너지 봉과, 상기 에너지 봉의 말단부에 설치되어 상기 충격파를 충격대상물에 가하는 타격부재와, 상기 당김 봉과 상기 에너지 봉을 연결하여 당김 봉의 인장 하중을 에너지 봉으로 전달하되 임계 인장 하중에서 상기 에너지 봉으로 전달되는 인장 하중을 차단하게 되는 연결수단을 포함하여 이루어진 탄성 변형 에너지를 이용한 충격파 발생 장치를 제공한다. 여기서, 상기 인장수단은 유공압 실린더 장치 또는 리니어 모터가 적용될 수 있다. 또, 상기 타격부재는 상기 충격대상물과 간격이 없이 연결되거나 간격을 두고 배치될 수도 있으며, 이러한 타격부재는 충격 속도를 조절할 수 있도록 서로 다른 무게의 것이 선택적으로 적용될 수 있다. 또, 상기 에너지 봉과 상기 타격부재의 움직임을 방지하는 지지 프레임이 더 구비될 수도 있다.
상기와 같은 탄성 변형 에너지를 이용한 충격파 발생 장치에 있어서, 상기 에너지 봉은 상기 충격파의 속도와 크기를 조정할 수 있도록 서로 다른 재질의 것이 선택적으로 적용될 수 있다.
또한, 상기 에너지 봉은 상기 충격파의 속도와 크기를 조정할 수 있도록 서로 다른 기하학적 형상과 크기의 것이 선택적으로 적용될 수 있다.
또, 상기 연결수단은 상기 임계 인장 하중에서 취성 파괴되어 상기 당김 봉으로부터 상기 에너지 봉으로 전달되는 인장 하중을 차단할 수 있도록 V노치를 가진 기계적 연결수단이 적용될 수 있으며, 이 연결수단은 서로 다른 재료와 기하학 적 형상의 것이 선택적으로 적용될 수 있다.
또, 상기 연결수단은 상기 임계 인장 하중에서 분리되어 상기 당김 봉으로부터 상기 에너지 봉으로 전달되는 인장 하중을 차단하게 되는 한 쌍의 자성체로 이루어질 수도 있다.
또, 상기 연결수단은 상기 임계 인장 하중에서 상기 당김 봉으로부터 상기 에너지 봉으로 전달되는 인장 하중을 차단하게 되는 유압장치로 이루어질 수도 있다.
또, 상기와 같은 본 발명에 있어서, 상기 충격파가 상기 충격대상물에 가해질 때 충격대상물의 충격거동을 측정하기 위한 충격거동 측정수단이 더 구비될 수 있으며, 이 충격거동 측정수단은 동적하중계와 변위측정계를 포함할 수 있다.
한편, 본 발명은, 인장 하중을 받는 당김 봉으로부터 인장 하중을 전달받아 탄성 변형 에너지로 저장하는 에너지 봉을 상기 당김 봉과 연결수단으로 연결하고, 상기 연결수단이 상기 당김 봉으로부터 에너지 봉으로 전달되는 인장 하중을 차단하는 임계 인장 하중을 설정하며, 상기 연결수단에 임계 인장 하중을 부여하여 상기 에너지 봉으로 전달되는 인장 하중을 차단함으로써 상기 에너지 봉에 저장된 탄성 변형 에너지가 순간적으로 해방되면서 충격파를 발생시키도록 하는 탄성 변형 에너지를 이용한 충격파 발생 방법을 제공한다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따르면, 매우 빠르고 강력한 충격파를 생성함 에 있어서 에너지 봉에 저장된 탄성 변형 에너지를 이용하기 때문에 종래와 같은 큰 규모의 장비가 불필요하고 장비의 점유 공간이 작다는 장점이 있다. 예를 들어, 690MPa의 인장응력을 받고 있는 직경 50.8mm, 길이 1.5m인 에너지 봉에 저장되는 탄성 변형 에너지는 3672N-m로서, 같은 무게의 낙하 물체를 이용하여 동일한 크기의 위치 에너지를 갖기 위해 필요한 낙하 높이는 16.2m이다. 따라서, 본 발명에서는 같은 정도의 충격 에너지를 생성하는 데에 있어서 위치 에너지를 이용하는 방법보다 훨씬 작은 크기를 갖게 됨을 명백히 알 수 있다.
또한, 본 발명에서는 발파재료를 전혀 사용하지 않으므로, 폭발성의 발파재료를 사용하는 운동 에너지를 이용한 종래의 방법과 비교할 때도, 매우 안전성이 뛰어난 효과가 있다.
또, 본 발명에서는 고가의 유압펌프, 유압 조절밸브, 가스 총 등의 장비가 불필요하므로, 기존의 위치 에너지와 운동 에너지 또는 유압을 이용한 충격 에너지 발생 방법들과 비교할 때 매우 경제적인 효과가 있다.
또, 본 발명은 에너지 봉의 재질, 파괴시의 응력 크기, 연결수단의 파괴 하중 크기, 타격부재의 무게 등을 조정함으로써 충격파의 크기와 속도를 조절할 수 있으므로, 장비의 사용과 제어가 매우 용이한 장점이 있다.
이와 같이, 본 발명은 종래의 방법들에 비해 사용이 용이하고 안전하며 경제적인 효과가 있는 발명으로서, 각종 재료나 구조물의 충격시험, 폭발성 발파재료를 사용하지 않는 기존 사회기반 시설물의 제거, 말뚝의 항타 등 충격 하중이 요구되는 여러 사용처에 적용될 수 있다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명에 따른 충격파 발생 장치의 원리적 구성과 작동을 나타낸 도면이다.
도 1의 (a)∼(d)에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 충격파 발생 장치의 기본적인 구성은, 인장 하중을 받는 당김 봉(11)과, 인장 하중을 탄성 변형 에너지로 저장하였다가 탄성 변형 에너지로부터 충격파를 발생시켜 충격대상물(S)에 가하는 에너지 봉(12)과, 이 에너지 봉(12)을 상기 당김 봉(11)과 연결하는 연결수단(13)을 포함하고 있다.
특히, 상기 에너지 봉(12)은 인장 하중에 의해 탄성 변형되는 프리스트레싱 스틸(prestressing steel)이나 알루미늄 합금 또는 타이타늄 합금 등의 소재로 이루어지게 된다. 또, 에너지 봉(12)은 충격대상물(S)과 간격이 없이 직접 연결되거나 간격을 두고 배치되는데, 간격 없이 연결되는 경우에는 에너지 봉(12)에 저장된 탄성 변형 에너지가 직접 충격에너지로 변환이 되며, 간격을 두고 배치되는 경우에는 에너지 봉(12)에 저장된 탄성 변형 에너지가 일단 운동 에너지로 변환되었다가 다시 충격에너지로 변환이 된다. 도 1에서는 에너지 봉(12)이 충격대상물(S)에 간격 없이 직접 연결된 것으로 예시되어 있다.
그리고, 상기 연결수단(13)은 임계 인장 하중에서 당김 봉(11)으로부터 에너지 봉(12)으로 인장 하중의 연결을 차단할 수 있도록 다양한 수단으로 실시될 수 있다. 도 1의 예에서는 임계 인장 하중에서 취성 파괴될 수 있도록 V노치(13a)를 가진 기계적 연결수단으로 제시되어 있으며, 서로 다른 재료와 기하학적 형상의 것이 선택적으로 적용될 수 있다. 이러한 기계적 연결수단 이외에, 한 쌍의 자성체(도시되지 않음)로 이루어져 임계 인장 하중에서 서로 분리됨으로써 당김 봉(11)으로부터 에너지 봉(12)으로 전달되는 인장 하중을 차단하게 되도록 구성될 수도 있고, 유압장치(도시되지 않음)로 구성될 수도 있다.
상기와 같은 구성에 따라, 도 1의 (a)와 같이 당김 봉(11)의 끝에 인장 하중이 서서히 가해지면, 이 인장 하중은 연결수단(13)을 통해 에너지 봉(12)으로 전달되고, 도 1의 (b)와 같이 에너지 봉(12)이 인장되면서 인장 하중을 탄성 변형 에너지로 저장하게 된다. 이때, 에너지 봉(12)이 인장되는 중에도 에너지 봉(12)의 한쪽 끝이 충격대상물(S)과 접하는 상태를 유지하게 된다. 이어서, 당김 봉(11)에 임계 인장 하중이 부여됨으로써 도 1의 (c)와 같이 연결수단(13)이 순간적으로 취성 파괴되면 에너지 봉(12)으로의 인장 하중 전달이 차단되면서 에너지 봉(12)에 저장되어 있던 탄성 변형 에너지가 충격에너지로 변환되어 충격파를 발생하게 된다. 그리고, 이 충격파는 도 1의 (d)와 같이 충격대상물(S)로 전달되어 충격대상물(S)을 손상 또는 파괴하게 된다.
만일, 상기 에너지 봉(12)의 충격 속도를 조절하고자 한다면, 다양한 무게의 중량체(도시되지 않음)를 구비하고 이 가운데 원하는 무게의 중량체를 선택하여 에너지 봉(12)에 부착하면 된다.
또, 충격파의 속도와 크기를 원하는 대로 조정할 수 있도록, 에너지 봉(12)을 앞에서 언급한 소재들을 포함한 서로 다른 재질의 것을 선택적으로 적용하여 사용하거나, 에너지 봉(12)의 기하학적 형성과 크기를 다양하게 설계하여 선택적으로 적용하면 된다.
또한, 충격파가 충격대상물(S)에 가해질 때 충격대상물(S)의 충격거동을 측정하기 위한 충격거동 측정수단이 본 발명의 장치에 구비될 수 있는데, 예를 들면 동적 하중계(Piezo-Electric Dynamic Load Cells : 도 10 참조)라든가 고주파 레이저 변위계와 같은 변위 측정계(도 10 참조)가 단독 또는 함께 구비될 수 있으며, 이에 대해서는 후술하는 실시예에서 다시 설명한다.
한편, 아래의 수학식1은 충격파의 속도를 결정짓는 영향 인자와 그 관계를 보여주고 있다.
Figure 112009011442836-pat00001
상기 수학식1에서, ε은 에너지 봉(12)의 변형률, σ는 에너지 봉(12)의 응력값, C=√E/ρ는 에너지 봉(12)이 갖는 응력파의 속도, E는 에너지 봉(12)의 탄성계수, A는 에너지 봉(12)의 단면적이다.
상기 수학식1에서, 에너지 봉(12)의 재료 물성치와 응력값을 조절함으로써, 본 발명의 충격파 발생 장치로부터 발생하는 충격파의 속도를 조정할 수 있다는 것을 알 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 충격파 발생 장치의 수치해석 모델을 나타내고 있다.
즉, 도 2에 도시된 충격파 발생 장치는 도 1의 원리적 구성을 응용하여 구체화함으로써 실제 적용 가능성을 유한요소법으로 수치해석을 통해 점검하기 위해 예시된 모델이다. 수치해석의 목적은 에너지 봉의 재질과 응력값이 충격파의 속도에 미치는 영행을 정량적으로 평가하는 데에 있으며, 범용 수치해석 프로그램인 LS-DYNA를 통해 해석을 수행하였다.
도 2의 충격파 발생 장치는, 당김 봉(21)과 에너지 봉(22) 및 연결수단(23)이 지지 프레임(24)에 설치된 구성을 가짐과 아울러, 에너지 봉(22)의 말단부에는 에너지 봉(22)의 충격파를 충격대상물(S) 시편에 가하기 위해 충격대상물(S) 시편을 직접 타격하는 타격부재(25)가 설치된 구성을 포함하고 있다. 그리고, 타격부재(25)가 충격대상물(S)을 타격할 때 충격대상물(S)의 충격 거동을 측정하기 위한 충격 거동 측정수단으로서 동적 하중계(26,26')가 충격대상물(S)의 상하측에 마련되어 있는데, 충격대상물(S) 시편과 동적 하중계(26,26') 사이에는 0.2 정도의 마찰계수가 적용되었다. 에너지 봉(22)의 재질로는 앞서 언급한 바와 같이 프리스트레싱 스틸(PS 강재), 알루미늄 합금, 타이타늄 합금이 사용되었는데, 에너지 봉(22)이 최대 충격 속도에 미치는 영향을 조사하기 위해 위의 세 가지 재질을 각 각 적용하여 수치해석하였다. 또, 상기 지지 프레임(24)으로는 ASTM A29 C1045 강재가 사용되었다. 표 1은 본 수치해석에서 사용된 여러 소재의 에너지 봉(22)에 대한 제원을 나타낸 것이다.
<표1>
에너지 봉 지지프레임 충격대상물 연결수단
PS강재 알루미늄 합금 타이타늄 합금 강재 알루미늄 강재
탄성계수E
(MPa)		 200100 70000 115996 200100 70000 200100
프아송 비 v 0.28 0.33 0.32 0.28 0.33 0.28
강도 σu
(MPa)		 828 552 966 828 276 552(또는 621)
밀도 ρ
(t/㎥)		 8.027 2.690 4.484 8.027 2.690 8.027
파괴변형치
εu 		- - - - 0.15 0.08
수치해석의 해석 시간 간격은 상기 LS-DYNA 프로그램 내부에서 자동적으로 산정되었으며, 해석의 정확성을 기하기 위해 0.0001초보다 작은 시간 단계가 사용되었다.
도 3a 및 도 3b는 각각 도 2의 수치해석 모델에 의해 진행된 충격파 발생 전,후의 상태를 나타내고 있으며, 도 3c는 도 3b의 충격대상물(S) 시편 부위를 상세히 나타내고 있는데, 도 3c와 같이 충격파의 작용에 따라 충격대상물(S) 시편이 파괴된 모습을 확인할 수 있다.
도 4a와 도 4b는 각각 수치해석 결과에 따른 응력 이력 곡선과 변형률 이력 곡선을 나타낸 그래프인데, 프레스트레싱 스틸을 에너지 봉(22)으로 사용하고 알루미늄을 충격대상물(S) 시편으로 사용한 경우에 산정된 수치해석 결과로서, 충격대 상물(S) 시편의 응력을 산정하기 위해 두 개의 동적 하중계(26,26')에서 얻어진 하중들의 평균값을 사용하였으며, 평균값을 산정하는 데 있어서는 응력파가 전달되는 데에 소요되는 시간 차이를 고려하였다.
도 4a 및 도 4b의 응력과 변형률 기록을 이용하여 충격대상물(S) 시편의 응력-변형률 관계를 도출하고 이를 도 5에 나타내었는데, 도 5를 통해 알 수 있듯이 본 발명이 충격대상물(S)에 충격 하중을 가할 때 충격대상물(S) 재료의 충격 거동을 조사하는 데에 매우 쉽고 성공적으로 사용될 수 있다는 것을 보여주고 있다.
도 6a와 도 6b 및 표 2는 에너지 봉(22)의 재질이 미치는 영향에 대한 결과를 요약한 것이다. 연결수단(23)의 파괴시 즉 에너지 봉(22)에 저장된 탄성 변형 에너지가 충격에너지로 변환될 때 에너지 봉(22)의 최대 응력값은 517.5MPa이 사용되었다.
<표2>
PS 강재 알루미늄 합금 타이타늄 합금
충격에너지 발생시 에너지 봉의 응력값(MPa) 517.5 517.5 517.5
단위 부피당 변형에너지(N-mm/㎣) 0.669 1.911 1.152
충격에너지 발생시 에너지 봉의 변형률 0.00259 0.00739 0.00446
탄성계수 E(MPa) 200100 70000 115996
밀도 ρ(t/㎥) 8.027 2.690 4.484
응력파 속도 C=√E/ρ (m/sec) 4992 5100 5083
이론적 충격속도, V=Cε
충격대상물이 없을 경우(m/sec)		 12.9 37.7 22.7
충격대상물이 없을 경우 수치해석으로 산정된 최대 충격속도(m/sec) 12.7 30.8 22.4
충격대상물이 있을 경우 수치해석으로 산정된 최대 충격속도(m/sec) 5.5 16.9 9.24
충격대상물이 있을 경우 수치해석으로 산정된 최대 변형률속도(1/sec) 433 1085 771
이 수치해석을 통하여 충격 속도가 에너지 봉(22)의 재질에 따라 매우 큰 영향을 받는다는 사실을 명확하게 알 수 있다. 예를 들면, PS 강재의 에너지 봉(22) 을 사용한 경우에 최대 충격 속도는 12.9m/s인데 반해, 알루미늄 합금의 에너지 봉(22)의 경우에는 37.7m/s의 충격 속도가 발생하였다. 물론, 충격대상물(S)을 사용한 경우에는 그 충격 속도가 충격대상물(S)의 저항에 의해 반감되는 경향을 보였다. 12.6mm 두께의 알루미늄 충격대상물(S)을 사용한 경우, 최대 변형률 속도(strain rate)가 표 2에 나타나 있다. 알루미늄 합금을 에너지 봉(22)으로 사용한 경우에 가장 빠른 충격 속도를 보이고, 변형률 속도 또한 1000sec-1에 이르고 있다.
또한, PS 강재의 에너지 봉(22)을 사용하여 에너지 봉(22)의 응력값이 충격 속도에 미치는 영향을 시험하여 도 7에 나타내었다. 에너지 봉(22)의 응력값은 연결수단(23)의 파괴 하중값을 조정함으로써 517.5MPa과 655.5MPa로 구현되었다. 응력값이 655.5MPa인 경우 충격 속도는 17.8m/s이고, 응력값이 517.5MPa인 경우에는 12.7m/s의 충격 속도가 수치해석 결과로 도출되었다. 이 결과는 다른 재질의 에너지 봉(22)을 사용하거나 연결수단(23)의 파괴시에 에너지 봉(22)의 응력값을 조절함으로써 용이하게 충격 속도를 제어할 수 있다는 사실을 명확하게 보여주고 있다.
도 8은 본 발명에 따른 충격파 발생 장치의 실시 형태를 나타낸 도면이다.
본 실시 형태의 구성 요소는, 인장 하중을 제공하는 인장수단(110)과, 이 인장수단(110)으로부터 인장 하중을 받는 당김 봉(111), 이 당김 봉(111)에 가해지는 인장 하중을 전달받아 탄성 변형 에너지로 저장하되 인장 하중이 차단되면 탄성 변 형 에너지로부터 충격파를 발생시키는 에너지 봉(112), 이 에너지 봉(112)의 말단부에 설치되어 상기 충격파를 충격대상물에 가하는 타격부재(113), 상기 당김 봉(111)과 에너지 봉(112)을 연결하여 당김 봉(111)의 인장 하중을 에너지 봉(112)으로 전달하되 임계 인장 하중에서 에너지 봉(112)으로 전달되는 인장 하중을 차단하게 되는 연결수단(114)을 포함하고 있다.
상기 인장수단(110)은 당김 봉(111)에 인장 하중을 제공하여 에너지 봉(112)에 변위를 일으키는 변위도입장치로서, 유/공압 실린더장치 또는 리니어 모터 등이 사용될 수 있으며, 본 실시 형태에서는 유압 잭으로 예시되어 있다.
상기 에너지 봉(112)은, 전술한 수치해석 모델에서 설명한 바와 같이, 충격파의 속도와 크기를 조정할 수 있도록 서로 다른 재질의 것이 선택적으로 적용될 수 있으며, 에너지 봉(112)의 기하학적 형상과 크기 또한 선택적으로 적용될 수 있다.
상기 연결수단(114)은 임계 인장 하중에서 당김 봉(111)으로부터 에너지 봉(112)으로 인장 하중의 연결을 차단할 수 있도록 다양한 수단으로 실시될 수 있다. 본 실시 형태에서는 임계 인장 하중에서 취성 파괴될 수 있도록 V노치(114a)를 가진 기계적 연결수단으로 예시되어 있으며, 서로 다른 재료와 기하학적 형상의 것이 선택적으로 적용될 수 있다. 또한 연결수단(114)의 다른 예로는, 한 쌍의 자성체(도시되지 않음)로 이루어져 임계 인장 하중에서 서로 분리됨으로써 당김 봉(111)으로부터 에너지 봉(112)으로 전달되는 인장 하중을 차단하게 되도록 구성될 수도 있다.
상기 타격부재(113)는 충격 해머(impact hammer)로서, 충격대상물(S)과 간격이 없이 연결될 수도 있고, 충격대상물(S)과 간격을 두고 배치될 수도 있다. 간격이 없이 연결되는 경우에는 에너지 봉(112)에 저장된 탄성 변형 에너지가 직접 충격에너지로 변환이 되며, 간격을 두고 배치되는 경우에는 에너지 봉(112)에 저장된 탄성 변형 에너지가 일단 운동 에너지로 변환되었다가 다시 충격에너지로 변환이 된다. 그리고, 타격부재(113)는 충격 속도를 조절할 수 있도록 서로 다른 무게의 것이 선택적으로 적용될 수 있다.
본 실시 형태에서, 상기 에너지 봉(112)과 타격부재(113)가 인장 하중을 받거나 충격파 발생시 움직임을 방지할 수 있도록 지지 프레임(115)이 구비되어 있다.
도 9의 (a)∼(e)는 본 실시 형태의 충격파 발생 장치를 이용한 충격시험시 충격대상물인 콘크리트 시편의 파괴 진전도를 차례로 보여주는 사진으로서, 충격하중시의 충격대상물(S)의 파괴 양상을 알 수 있다. 상기 충격대상물(S)은 48MPa의 압축강도와 21GPa의 탄성계수를 갖는 콘크리트 재료로서, 직경은 50.8mm이고, 높이는 101.6mm인 것이 사용되었다. 고속 카메라로 연속 촬영된 상기 사진들을 조사한 결과, 평균 충격속도는 5m/sec으로 산정되었다.
도 10은 본 발명에 따른 충격파 발생 장치의 다른 실시 형태를 나타낸 도면으로서, 본 실시 형태는 전술한 실시 형태와 같이 인장수단(210)과 당김 봉(211), 에너지 봉(212), 타격부재(213), 연결수단(214) 및 지지 프레임(215)을 구성 요소 로 구비하되, 충격대상물(S)에 대한 충격시 충격대상물(S)의 충격 거동을 측정하기 위한 충격 거동 측정수단(216,217)을 더 구비하고 있다. 이 충격 거동 측정수단(216,217)은 상술한 동적 하중계(216)와 고주파 레이저 변위계(217)로 예시되어 있다.
본 실시 형태의 충격파 발생 장치는 강섬유 보강 시멘트 복합재료를 충격대상물(S)로 하여 인장시험을 수행하는 데에 적용될 수 있다.
상기 충격 거동 측정수단(216,217) 중 동적 하중계(216)로부터 시간에 따른 하중(load)들이 측정되고 기록되며, 고주파 레이저 변위계(217)를 이용하여 변위(displacement)가 측정된다.
도 11a와 도 11b는 각각 본 실시 형태의 충격파 발생 장치를 이용한 충격시험에 따른 하중-시간 그래프 및 변위-시간 그래프를 예시한 것이다. 도 11c는 충격시험 결과에 따른 충격대상물(S) 시편의 모습을 나타낸 사진으로서 다수의 미세 균열과 거대 균열이 발생한 것을 볼 수 있다.
본 발명에 따른 충격파 발생 장치는 이상에서 설명된 실시예들에 구애받지 않고 본 발명의 원리적 구성을 응용하여 다양하게 실시될 수 있다.
즉, 인장 하중을 받는 당김 봉으로부터 인장 하중을 전달받아 탄성 변형 에너지로 저장하는 에너지 봉을 상기 당김 봉과 연결수단으로 연결하고, 이 연결수단이 당김 봉으로부터 에너지 봉으로 전달되는 인장 하중을 차단하는 임계 인장 하중을 설정한 상태에서, 연결수단에 임계 인장 하중을 부여하여 에너지 봉으로 전달되 는 인장 하중을 차단함으로써 에너지 봉에 저장된 탄성 변형 에너지가 순간적으로 해방되면서 충격파를 발생시키도록 하는 방법이 적용됨으로써, 본 발명의 충격파 발생 장치의 다양한 구성으로 실시될 수 있다.
전술한 바와 같은 본 발명에 따른 탄성 변형 에너지를 이용한 충격파 발생 장치와 방법을 이용하면, 금속, 수정(crystal), 고분자 화합물(polymer), 시멘트 복합재료(cement based composites), 섬유보강 복합체(fiber reinforced composites) 등 다양한 재료의 충격 저항 정도 또는 빠른 하중 속도에서의 재료의 거동을 조사할 수가 있다.
또한, 본 발명을 적용하여 충격 하중시의 자동차, 항공기, 선박 및 사회간접자본시설(infrastructure) 등 구조물의 구성 요소에 대한 충격 저항 정도를 조사할 수 있으며, 기존의 사회기반시설과 구조물의 구성 요소 등을 제거하는 데에 응용할 수 있다.
이상에서는 본 발명을 바람직한 실시예에 의거하여 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
도 1은 본 발명에 따른 충격파 발생 장치의 원리적 구성과 작동을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 충격파 발생 장치의 수치해석 모델을 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2의 모델을 이용한 수치해석 결과를 나타낸 도면으로서, 도 3a는 충격파 발생 전 상태, 도 3b는 충격파 발생 후 상태, 도 3c는 도 3b의 시편 부위를 상세히 나타낸 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 각각 도 3의 수치해석 결과에 따른 응력 이력 곡선과 변형률 이력 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 5는 도 3의 수치해석에서 프리스트레싱 스틸을 에너지 봉으로 사용한 경우의 알루미늄 시편에 대한 응력-변형률 관계를 나타낸 그래프이다.
도 6a 및 도 6b는 각각 시편의 유무에 따라 에너지 봉의 재질이 충격속도에 미치는 영향을 나타낸 그래프이다.
도 7은 시편이 없는 경우 에너지 봉의 응력값이 충격속도에 미치는 영향을 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명에 따른 충격파 발생 장치의 실시 형태를 나타낸 도면이다.
도 9의 (a)∼(e)는 본 발명에 따른 충격파 발생 장치를 이용한 충격시험시 충격대상물인 콘크리트 시편의 파괴 진전도를 차례로 보여주는 사진이다.
도 10은 본 발명에 따른 충격파 발생 장치의 다른 실시 형태를 나타낸 도면 이다.
도 11a 및 도 11b는 각각 도 10의 장치를 이용한 충격시험에 따른 하중-시간 그래프 및 변위-시간 그래프이고, 도 11c는 충격시험 결과에 따른 충격대상물 시편의 모습을 나타낸 사진이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
11,21,111,211 : 당김 봉 12,22,112,212 : 에너지 봉
13,23,114,214 : 연결수단 13a,114a : V노치
24,115,215 : 지지 프레임 25,113 : 타격부재
26,26',216 : 동적 하중계 110,210 : 인장수단
217 : 고주파 레이저 변위계

Claims (19)

  1. 인장 하중을 받는 당김 봉;
    상기 당김 봉에 가해지는 인장 하중을 전달받아 탄성 변형 에너지로 저장하며, 상기 인장 하중이 차단되면 상기 탄성 변형 에너지로부터 충격파를 발생시켜 충격대상물에 충격파를 가하도록 이루어지되, 상기 충격파의 속도와 크기를 조정할 수 있도록 서로 다른 재질의 것이 선택적으로 적용됨과 아울러, 상기 충격파의 속도와 크기를 조정할 수 있도록 서로 다른 기하학적 형상과 크기의 것이 선택적으로 적용되는 에너지 봉;
    상기 당김 봉과 상기 에너지 봉을 연결하여 당김 봉의 인장 하중을 에너지 봉으로 전달하되, 임계 인장 하중에서 상기 에너지 봉으로 전달되는 인장 하중을 차단하도록 한 쌍의 자성체로 구성되는 연결수단을 포함하여 이루어진 탄성 변형 에너지를 이용한 충격파 발생 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 에너지 봉은 상기 충격대상물과 간격이 없이 연결된 것을 특징으로 하는 탄성 변형 에너지를 이용한 충격파 발생 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 에너지 봉은 상기 충격대상물과 간격을 두고 배치된 것을 특징으로 하는 탄성 변형 에너지를 이용한 충격파 발생 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 에너지 봉에는 충격 속도를 조절하기 위한 다양한 무게의 중량체가 선택적으로 부착되는 것을 특징으로 하는 탄성 변형 에너지를 이용한 충격파 발생 장치.
  5. 인장 하중을 제공하는 인장수단;
    상기 인장수단으로부터 인장 하중을 받는 당김 봉;
    상기 당김 봉에 가해지는 인장 하중을 전달받아 탄성 변형 에너지로 저장하며, 상기 인장 하중이 차단되면 상기 탄성 변형 에너지로부터 충격파를 발생시키도록 이루어지되, 상기 충격파의 속도와 크기를 조정할 수 있도록 서로 다른 재질의 것이 선택적으로 적용됨과 아울러, 상기 충격파의 속도와 크기를 조정할 수 있도록 서로 다른 기하학적 형상과 크기의 것이 선택적으로 적용되는 에너지 봉;
    상기 에너지 봉의 말단부에 설치되어 상기 충격파를 충격대상물에 가하는 타격부재;
    상기 당김 봉과 상기 에너지 봉을 연결하여 당김 봉의 인장 하중을 에너지 봉으로 전달하되, 임계 인장 하중에서 상기 에너지 봉으로 전달되는 인장 하중을 차단하도록 한 쌍의 자성체로 구성되는 연결수단을 포함하여 이루어진 탄성 변형 에너지를 이용한 충격파 발생 장치.
  6. 삭제
  7. 삭제
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  9. 삭제
  10. 삭제
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  12. 제1항 또는 제5항에 있어서,
    상기 충격파가 상기 충격대상물에 가해질 때 충격대상물의 충격거동을 측정하기 위한 충격거동 측정수단이 더 구비된 것을 특징으로 하는 탄성 변형 에너지를 이용한 충격파 발생 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 충격거동 측정수단은 동적하중계와 변위측정계를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄성 변형 에너지를 이용한 충격파 발생 장치.
  14. 제5항에 있어서,
    상기 인장수단은 유공압 실린더 장치 또는 리니어 모터인 것을 특징으로 하는 탄성 변형 에너지를 이용한 충격파 발생 장치.
  15. 제5항에 있어서,
    상기 타격부재는 상기 충격대상물과 간격이 없이 연결된 것을 특징으로 하는 탄성 변형 에너지를 이용한 충격파 발생 장치.
  16. 제5항에 있어서,
    상기 타격부재는 상기 충격대상물과 간격을 두고 배치된 것을 특징으로 하는 탄성 변형 에너지를 이용한 충격파 발생 장치.
  17. 제5항, 제15항, 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 타격부재는 충격 속도를 조절할 수 있도록 서로 다른 무게의 것이 선택적으로 적용되는 것을 특징으로 하는 탄성 변형 에너지를 이용한 충격파 발생 장치.
  18. 제5항에 있어서,
    상기 에너지 봉과 상기 타격부재의 움직임을 방지하는 지지 프레임이 더 구비된 것을 특징으로 하는 탄성 변형 에너지를 이용한 충격파 발생 장치.
  19. 삭제
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