KR101179134B1 - 고속충돌 음향방출 측정 시스템 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 SHPB(Split Hopkinson Pressure Bar) 시험을 이용한 고속충돌 음향방출 측정 시스템 및 그 방법에 관한 것으로,
SHPB 고속충돌 시험시 발생하는 응력파를 감지한 후, 이를 시간-주파수 영역으로 처리하며, 응력과 변형률 및 항복응력을 산출하고, 시험편의 파단면을 주사전자현미경을 이용하여 관찰함으로써,
고속충격하중을 받는 재료의 변형 및 파괴과정 동안의 충격에너지, 흡수에너지, 손상크기 및 손상특성을 보다 정량적으로 규명할 수 있게 되고, 구조건전성 모니터링 기술(Structural Health Monitoring Technology)에 활용할 수 있도록 한다.

Description

고속충돌 음향방출 측정 시스템 및 그 방법{System for Measuring High Velocity Impact Acoustic Emissions and the Method Therefor}
본 발명은 SHPB(Split Hopkinson Pressure Bar) 시험을 이용한 고속충돌 음향방출 측정 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 비파괴검사 방법의 하나인 음향방출법을 SHPB 고속충돌시험에 접목하여 다양한 재료의 고속충격으로 인해 변형되거나 파괴되는 과정에서 발생하는 응력파를 감지하고 시간-주파수 영역에서 스펙트럼 분석을 통해 파괴 발생원을 규명하고, 주사전자현미경으로 파단면을 관찰한 후, 고속충돌로 인한 손상발생 메커니즘을 구별하는 고속충돌 음향방출 측정 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로 고속충격이란 일정 크기 이상의 충격체가 10～100 m/s의 빠른 속도로 구조물에 충돌하는 현상을 의미하는데, 이러한 고속충격에 따른 구조물의 손상 메커니즘은 매우 다양하다. 특히, 충격체가 구조물을 관통할 경우에는 구조물 내부에 위치하는 주요장비, 인화성 연료탱크, 승무원이나 전투원들에 대하여 즉각적으로 위협을 줄 수 있다.
이에 따라 고속충격 손상 메커니즘을 규명하여 방탄, 방충격 구조설계와 충격에 의한 손상을 탐지하고 감시할 수 있는 건전성 모니터링 기술 도입으로 안전성을 증대시키려는 연구가 진행되고 있다.
고속충격과 저속충격을 구분하는 속도의 범위를 살펴보면, Serge Abrate는 충격체의 속도가 100m/s 이하인 경우를 저속충격이라 하고, 충격체의 속도가 1km/s 이상인 경우를 고속충격으로 구분하였다. 하지만, C.Ruiz는 충격지점으로부터 응력파(stress wave)가 발생하여 동적해석이 필요한 50~300m/sec를 고속이라고 정의하고 경계지점에서 다중파(multiple wave)가 반사되어 준정적 평형(quasi-static equilibrium)에 이르는 50m/sec이하를 저속충격이라 구분 하였다.
이와 같이 해외에서의 저속충격 거동 특성에 대한 연구는 상당히 수행되었고, 고속충격 거동 특성과 비행체에 위협요인인 초고속 충격 거동 특성에 대한 연구가 미국의 NASA나 군 관련 연구소에서 진행되고 있으며, 유럽에서는 항공우주관련 연구소와 항공제작사에서 수행되고 있다. 국내에서는 저속충격 거동에 대한 연구는 상당히 수행되었으나 고속충격에 관한 연구는 주로 금속재료에 대한 방탄특성 등에 대한 연구가 주로 진행되어 왔으며 고속충격 특성에 대한 연구를 비파괴 기술과 병행한 연구는 전무하다.
그런데, 고속충격일 경우 아주 짧은 시간에 매우 큰 충격하중이 작용하므로 구조물에 단순 진동뿐만 아니라 복잡한 응력파를 발생시킨다. 이렇게 발생한 응력파의 크기와 종류는 재료의 다양한 손상기구와 밀접하게 관련되어 있다. 따라서, 이러한 변형과 응력파를 감지할 수 있는 센서를 시험편에 장착하여 충격시 측정한 음향신호를 분석하여 충격에너지, 흡수에너지, 손상크기 및 손상특성과 센서신호와의 관계를 규명할 수 있다면, 기존의 충격시험보다 정량적으로 고속충격 특성을 규명할 수 있으며, 이러한 기술은 구조건전성 모니터링 기술(Structural Health Monitoring Technology)에 활용할 수 있으리라 생각된다.
본 발명은 상기한 종래 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 음향방출법을 이용하여 고속충격하중을 받는 재료의 변형 및 파괴시 발생하는 응력파를 측정하고 음향방출 인자해석 및 지배주파수 해석을 통하여 파괴모드에 따른 신호특성을 구별하여 파단면을 주사전자 현미경으로 관찰한 후 파괴 발생원을 규명할 수 있도록 한 고속충돌 음향방출 측정 시스템 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 정량적으로 고속충격 특성을 규명하여 구조건전성 모니터링 기술(Structural Health Monitoring Technology)에 활용할 수 있는 고속충돌 음향방출 측정 시스템 및 그 방법을 제공하는데 목적이 있다.
상기 목적을 위한 본 발명의 고속충돌 음향방출 측정 시스템은, SHPB 고속충돌 시험에 사용되는 SHPB의 시험편으로부터 일정 거리를 가지고 연결된 하나 이상의 음향방출 센서를 통해 응력파를 감지하는 응력파 감지부와; 상기 시험편으로부터 획득한 응력파를 단시간 퓨리에 변환 또는 웨이블릿 변환을 통해서 신호를 시간-주파수 영역으로 처리하여 신호를 출력하고 해석하는 신호처리부와; 상기 시험편에 인가된 고속 충격하중에 따라 측정한 변위와 하중을 통해서 변형전 길이로 나눈 변형률 및 상기 시험편의 단위면적당 인가된 응력을 출력하고 소성변형이 개시되는 항복응력을 산출하는 산출부와; 주사전자현미경을 이용하여 상기 시험편의 파단면을 관찰하는 SEM부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명의 고속충돌 음향방출 측정 시스템에 따르면, 상기 시험편에 인가된 하중의 측정값, 변위, 응력, 변형률 및 항복응력을 제어하는 중앙제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 고속충돌 음향방출 측정 시스템에 따르면, 상기 응력파 감지부는 상기 시험편과 연결된 상기 음향방출 센서에서 받아들이는 신호로부터 음향방출 인자를 설정하는 인자 설정모듈과, 설정된 음향방출 인자를 제어하기 위한 제어모듈 및 설정된 음향방출 인자와 함께 응력파형을 출력하는 출력 모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명의 고속충돌 음향방출 측정 시스템에 따르면, 상기 신호처리부는 상기 응력파 감지부에서 출력되는 응력파의 파형을 획득하는 파형 획득 모듈과, 획득된 응력파의 파형을 단시간 퓨리에 변환 또는 웨이블릿 변환시키는 변환 모듈 및 상기 변환 모듈에 변환된 응력파형의 신호를 시간-주파수 영역으로 출력하는 시간-주파수 출력 모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명의 고속충돌 음향방출 측정 시스템에 따르면, 상기 산출부는 상기 시험편의 단위면적당 인가된 충격 하중인 응력을 산출하는 응력 산출모듈과, 상기 시험편에 충격 하중을 가한 후에 상기 시험편에 인가된 충격 하중에 따른 변위를 변형전 시험편 길이로 나누어 변형률을 산출하는 변형률 산출모듈 및 상기 응력 산출모듈에 의해 산출된 응력과 상기 변형률 산출모듈에 의해 산출된 변형률에 따른 응력-변형률 관계로부터 0.2% 내력법을 이용한 항복응력을 산출하는 항복응력 산출모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 고속충돌 음향방출 측정 시스템에 따르면, 상기 SEM부는 주사전자현미경을 제어하는 SEM 제어모듈과; 상기 주사전자현미경으로부터 수신된 영상신호를 이용하여 상기 시험편의 파단면을 관찰하는 파면 관찰모듈 및 상기 시험편의 파면관찰 결과 중 손상상태를 출력하는 SEM 출력모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명에 의한 고속충돌 음향방출 측정 방법은, SHPB 고속충돌 시험에서 사용되는 시험편이 구비된 SHPB에 고속의 충격하중을 가한 후 고속충돌시 발생하는 응력파를 음향방출 센서를 통해 감지하고, 이에 대한 단시간 퓨리에 변환을 통해 시간-주파수 영역으로 처리함으로써, 지배 주파수 성분으로 손상기구를 식별하는 신호처리 단계와; 고속충돌에 의해 파단된 시험편의 파단면을 주사전자현미경을 통해 관찰하는 파단면 관찰단계와; 상기 시험편에 인가된 충격하중에 의한 변형률 및 응력을 출력하고 소성변형이 개시되는 항복응력을 산출하는 항복응력 산출단계; 및 상기 단계들에서 파악된 고속충격시 재료내부에서 발생하는 파손 모드와, 상기 시험편의 파면 형상 및 상기 시험편의 항복응력 데이터로부터 상기 시험편에 대한 고속충격 특성을 정량적으로 도출하는 특성 도출단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명의 고속충돌 음향방출 측정 방법에 따르면, 상기 신호처리 단계는, 상기 음향방출 센서를 이용하여 응력파를 감지한 한 후, 파형 획득모듈을 이용하여 응력파를 획득하고, 변환 모듈을 이용한 단시간 퓨리에 변환을 통해 획득된 응력파를 시간-주파수 영역으로 처리한 후, 시간-주파수 출력 모듈을 통해 응력파의 시간-주파수를 출력하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 고속충돌 음향방출 측정방법에 따르면, 상기 신호처리 단계에서 응력파를 시간-주파수 영역으로 처리할 때 단시간 퓨리에 변환 대신 웨이블릿 변환을 이용하는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명의 고속충돌 음향방출 측정 방법에 따르면, 상기 항복응력 산출단계는, 상기 시험편에 충격을 가한 후 상기 시험편의 단위면적당 인가된 충격하중인 충격응력을 산출하고, 스트레인 게이지를 이용하여 변위를 측정하여 인가된 하중에 따른 변위를 변형전 변위로 나누어 변형률을 산출하며, 산출된 충격응력 및 변형률에 따른 응력-변형률 곡선을 이용하여 항복응력을 산출하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 고속충돌 음향방출 측정 방법에 따르면, 상기 항복응력 산출단계는 응력-변형률 관계로부터 0.2% 내력법을 이용하여 항복응력을 산출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 고속충돌 음향방출 측정 시스템 및 그 방법은, 고속충격하중을 받는 재료의 변형과 파괴시에 발생하는 응력파를 감지 및 획득하여 음향방출 신호를 분석함으로써 변형 및 파괴과정 동안의 충격에너지, 흡수에너지, 손상크기 및 손상특성 같은 고속충격 특성을 기존의 충격시험보다 더욱 정량적으로 규명할 수 있게 되는 효과가 있다.
또한, 이러한 재료에 대한 고속충격 특성의 규명을 통하여 해당 재료로 이루어진 구조물에 대한 구조건전성 모니터링 기술(Structural Health Monitoring Technology)에 활용할 수 있게 되는 효과가 있다.
구체적으로 군사적 측면에서는 충격흡수용 방호재료, 특히 다층 복합구조의 충격 손상해석이 가능하여 전투 시스템 및 전투원 생존성 기술발전에 기초가 될 것으로 기대되며, 경제적 측면으로는 일반 재료나 구조물의 건전성을 실시간으로 감시가 가능하여 사전에 이상 유무를 미리 파악하여 재료의 파괴나 구조물의 고장 발생 전 유지 및 보수가 가능하므로 상당한 경제적 이익이 기대되는 효과가 있다.
더욱이 새로운 하드웨어를 개발하는 것이 아닌 측정기술과 기법에 발전시킴으로써 기술개발의 가치는 매우 크다고 할 수 있다.
도 1은 일반적인 SHPB 충격시험장치가 개략적으로 도시된 구성도.
도 2는 본 발명에 의한 고속충돌 음향방출 측정 시스템을 나타내는 블록 구성도.
도 3은 본 발명의 고속충돌 음향방출 측정 시스템에서 음향방출 센서와 시험편을 웨이브 가이드 라인으로 연결한 모습을 나타낸 참고도.
도 4는 본 발명의 고속충돌 음향방출 측정 시스템에서 감지된 응력파의 예시도.
도 5는 본 발명의 고속충돌 음향방출 측정 시스템에서 응력파의 파형을 단시간 퓨리에 변환모듈을 통하여 시간-주파수 영역으로 나타낸 참고도.
도 6은 본 발명의 고속충돌 음향방출 측정 시스템에서 스트레인 게이지로부터 측정한 신호전압과 시간을 나타내는 예시도.
도 7은 본 발명의 고속충돌 음향방출 측정 시스템에서 산출된 응력-변형률 그래프의 예시도.
도 8은 본 발명의 고속충돌 음향방출 측정 시스템에서 충격하중을 가하기 이전의 시험편 형상(a)과 충격하중을 받아 변형된 시험편의 형상(b)을 나타내는 예시도.
도 9는 본 발명의 고속충돌 음향방출 측정 시스템에서 주사전자현미경을 이용하여 관찰한 시험편의 파단면의 예시도.
도 10은 본 발명에 의한 고속충돌 음향방출 측정 방법이 도시된 순서도.
도 11은 본 발명의 고속충돌 음향방출 측정 방법에서 신호처리 과정을 나타내는 순서도.
도 12는 본 발명의 고속충돌 음향방출 측정 방법에서 항복응력을 산출하는 단계를 나타내는 순서도.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 SHPB 시험을 이용한 고속충돌 음향방출 측정 시스템 및 그 방법에 대하여 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 의한 SHPB 고속충돌 시험을 이용한 고속충돌 음향방출 측정 시스템은, SHPB 고속충돌 시험에 사용되는 SHPB(10)의 시험편(15)으로부터 일정 거리를 가지고 연결된 하나 이상의 음향방출 센서(150)를 통해 응력파를 감지하는 응력파 감지부(100)와; 상기 시험편(15)으로부터 획득한 응력파를 단시간 퓨리에 변환 또는 웨이블릿 변환을 통해서 신호를 시간-주파수 영역으로 처리하여 신호를 출력하고 해석하는 신호처리부(200)와; 상기 시험편(15)에 인가된 고속 충격하중에 따라 측정한 변위와 하중을 통해서 변형전 길이로 나눈 변형률 및 상기 시험편(15)의 단위면적당 인가된 응력을 출력하고 소성변형이 개시되는 항복응력을 산출하는 산출부(300)와; 주사전자현미경(SEM, 450)을 이용하여 상기 시험편(15)의 파단면을 관찰하는 SEM부(400)과; 상기 시험편(15)에 인가된 하중의 측정값, 변위, 응력, 변형률 및 항복응력을 제어하는 중앙제어부(500);를 포함하여 이루어진다.
상기 응력파 감지부(100)는 상기 시험편(15)과 연결된 상기 음향방출 센서(150)에서 받아들이는 신호로부터 음향방출 인자를 설정하는 인자 설정모듈(110)과, 설정된 음향방출 인자를 제어하기 위한 제어모듈(120) 및 설정된 음향방출 인자와 함께 응력파형을 출력하는 출력 모듈(130)을 포함하여 이루어진다. 상기 응력파 감지부(100)는 접촉식 구조의 상기 광대역 음향방출 센서(150)를 이용하여 SHPB 충격 시험에서 사용되는 재료에서 발생하는 응력파를 측정하게 되며, 이를 위하여 적당한 크기의 충격용 시험편(15)을 제작하여 직경(D)과 길이(L)를 측정한다.
상기 응력파 감지부(100)는 상기 시험편(15)으로부터 일정 거리 이격된 위치에 배치된 상기 음향방출 센서(150)를 통해 충격시 발생하는 재료 내부의 응력파를 감지한다. 통상적으로 음향방출(Acoustic Emission, AE)은 구조물에 외력이 가해질 때, 구조물 내부에 저장되어 있던 에너지가 국부적인 발생원으로부터 일시적으로 방출되는 탄성파를 의미한다. 이 탄성파는 구조물의 표면을 따라 전파되며 전기적인 신호로 변환해주는 상기 음향방출(AE) 센서(150)에 의해 탐지된다. 이러한 방식을 이용하면 재료 내부에 위치하는 손상원의 존재와 위치에 대한 정보를 얻을 수 있다. 이러한 AE법은 다른 비파괴평가 방법에 비해 손상이 발생함과 동시에 이를 실시간으로 감지할 수 있는 장점이 있다.
또, 상기 인자 설정모듈(110)에서는 사전에 충분히 노이즈 영역의 인자를 찾아내어 고속충격시 발생하는 응력파에 노이즈가 포함되지 않도록 설정하는 것이 바람직하다. 통상적인 AE시험에서는 노이즈를 처리하는 기준이 없기 때문에 사전에 이와 같은 방법으로 노이즈를 필터링 시키는 것이 아주 중요하다. 그리고, 상기 음향방출 센서(150)는 100~1000 ㎑의 유효 주파수 범위를 갖는 압전형 공진형 음향방출 센서(AE센서; R15, PAC)이며 감지된 음향방출 신호는 전치증폭기에 의해 증폭된 후 AE본체 (AEWin, PAC)에 저장된다.
여기서, 상기 음향방출 센서(150)는 상기 시험편(15)에 직접 접촉되지 않고 웨이브 가이드라인(155)을 통해 응력파를 수신하여 고속충돌시의 응력파 감지를 수행하는 것이 바람직하다. 일반적으로 상기 음향방출 센서(150)와 같은 접촉식 센서를 직접 상기 시험편(15)에 연결하면 고속충격시의 충격으로 센서의 고장이 발생할 수 있다. 이에 따라 응력파를 전달할 수 있는 상기 웨이브 가이드 라인(155)을 통해 상기 음향방출 센서(150)와 시험편(15)을 연결한다. 이후 충격시험을 하는 동안 상기 음향방출 센서(150)를 통해 상기 시험편(15) 내부에서 발생하는 응력파를 감지한다. 이때, 충격시험과 응력파 측정시험은 반드시 동시에 이루어져야 한다.
상기 신호처리부(200)는 상기 음향방출 센서(150)에서 측정된 응력파를 단시간 퓨리에 변환이나 웨이블릿 변환을 통해서 신호를 시간-주파수 영역으로 처리하는 기능을 수행하게 된다.
이를 위하여 상기 신호처리부(200)는 상기 응력파 감지부(100)에서 출력되는 응력파의 파형을 획득하는 파형 획득 모듈(210)과, 획득된 응력파의 파형을 단시간 퓨리에 변환 또는 웨이블릿 변환시키는 변환 모듈(220) 및 상기 변환 모듈에 변환된 응력파형의 신호를 시간-주파수 영역으로 출력하는 시간-주파수 출력 모듈(230)을 포함하여 구성된다.
일반적으로 신호 처리 기법은 일관성 있는 신호(stationary signal)를 대상으로 주파수 응답이나 스펙트럼 분석을 수행하게 된다. 구조물에 이상이 발생할 경우 진동 응답 신호를 취득하여 고유주파수 변화 등을 측정하여 이상 유무를 진단할 수 있는데 이러한 신호분석에 많이 사용하는 퓨리에 변환(Fourier Transform)이 있다. 그러나 퓨리에 변환은 측정된 신호가 일정한 주파수의 정상 신호라 가정하므로, 고속충격의 손상신호와 같은 비정상 신호(Non-stationary Signal)에 적용하기는 적합하지 않으며, 변환된 정보는 손상개시시점과 같은 시간영역의 정보를 잃어버리는 치명적인 문제점을 안고 있다.
이러한 퓨리에 변환 방식의 단점을 보완하기 위해 시간-주파수영역에서 동시에 해석가능한 방법으로 단시간 퓨리에 변환(Short Timer Fourier Transform) 또는 웨이블릿 변환(Wavelet Transform)이 가장 많이 이용되고 있다. 단시간 퓨리에 변환은 통상적인 퓨리에 변환의 결점을 보완하기 위해 일정한 크기를 가진 창함수(Window)를 퓨리에 변환과 결합시켜 창함수의 주파수에 해당하는 성분을 추출하여 시간-주파수 영역에서 신호의 특성을 표현하는 방법으로 시간변화에 따른 신호의 주파수 특성을 분석할 수 있는 장점이 있다.
한편, 도 4와 5에는 본 발명의 일 실시 예에 따른 응력파형을 단시간 퓨리에 변환모듈을 통하여 시간-주파수 영역으로 나타낸 그래프가 도시되어 있다. 도 5의 (a)에 도시된 파형은 고속충격시 소성변형이 개시되기 시작할 때 획득한 응력파형으로서, 돌발형 신호에 가까우며 피크 주파수가 고강도의 신호임을 알 수 있다. 이와는 대조적으로, 도 4의 파형은 연속형 파형으로 미세 균열이 진전할 시 발생하는 신호이며, 피크 주파수가 낮은 것을 알 수 있다. 이를 참조하면 고속충격시 재료 내부에서 발생하는 파손 모드를 파형 및 피크 주파수 성분으로 구별할 수 있음을 알 수 있다.
또, 상기 산출부(300)는, 상기 시험편(15)의 단위면적당 인가된 충격 하중인 응력을 산출하는 응력 산출모듈(310)과, 상기 시험편(15)에 충격 하중을 가한 후에 상기 시험편(15)에 인가된 충격 하중에 따른 변위를 변형전 시험편 길이로 나누어 변형률을 산출하는 변형률 산출모듈(320) 및 상기 응력 산출모듈(310)에 의해 산출된 응력과 상기 변형률 산출모듈(320)에 의해 산출된 변형률에 따른 응력-변형률 관계로부터 0.2% 내력법을 이용한 항복응력을 산출하는 항복응력 산출모듈(330)을 포함한다.
참고로 SHPB 고속충돌 시험에 사용되는 스플릿 홉킨슨 압력 바(10)가 도 1에 도시되어 있다. 일반적으로 홉킨슨 바(10)의 입력봉(11)이 스트라이커(20)에 의해 충격을 받으면 응력파가 생성되고, 이 응력파가 상기 입력봉(11)을 따라 전파되어 출력봉(12)으로 전달된다. 이때 응력파의 일부가 상기 시험편(15)에 전달됨으로써 상기 시험편(15)이 변형되거나 파괴된다. 동시에 응력파의 일부는 상기 입력봉(11)으로 다시 반사된다. 이 과정에서 상기 입력봉(11)과 출력봉(12)에 부착된 스트레인 게이지(30)로 측정한 변형률로부터 충격하중 및 변위를 산출하게 되며, 상기 시험편(15)의 응력-변형률 관계로부터 0.2% 내력법에 의해 항복응력을 산출하게 된다.
그리고 SHPB 고속충돌 시험시 스트레인 게이지에서 측정한 신호전압과 시간이 도 6에 도시되어 있다. 이러한 신호전압은 충격속도나 변형률 속도에 따라 다르게 나타난다. 또, RHA 강에 있어서 항복응력과 변형률 사이의 관계를 나타내는 응력-변형률 그래프가 도 7에 도시되어 있는데, 도 7은 RHA 강을 각각 서로 다른 변형률 속도로 충격하중을 가하여 얻은 응력-변형률 곡선을 나타내며, 변형률 속도에 따라 약간 다른 거동을 보여줌을 알 수 있다.
그리고, 상기 SEM부(400)는 주사전자현미경(450)을 이용하여 시험편의 파단면을 관찰하는 기능을 수행하며, 주사전자현미경을 제어하는 SEM 제어모듈(410)과; 상기 주사전자현미경으로부터 수신된 영상신호를 이용하여 상기 시험편(15)의 파단면을 관찰하는 파면 관찰모듈(420) 및 상기 시험편(15)의 파면관찰 결과 중 손상상태를 출력하는 SEM 출력모듈(430)을 포함한다.
보통 SHPB 고속충돌 시험에서는 육안으로 파면을 관찰하지만, 시험편이 작을 경우, 그리고 미세 균열이나 복합재료의 섬유파단 등의 마이크로 손상은 육안식별이 불가능하므로 주사전자현미경을 사용하기도 한다. 고속충돌 시험에 있어서 파단면을 정확하게 관찰하는 것은 매우 중요하고 2차 균열이 매우 작기 때문에, 육안식별 방식이 아닌 주사전자현미경을 사용해서 관찰하였다.
한편, 도 8의 (a)에는 상기 시험편에 충격하중을 가하기 이전의 형상이 도시되어 있고, 도 8의 (b)에는 고속으로 충격하중을 가한 후의 시험편 형상이 도시되어 있으며, 도 9에는 주사전자현미경을 이용하여 관찰한 시험편의 파단면 형상이 도시되어 있다. 도 9를 참조하면 주균열은 압축되기 전의 시험편의 가장자리를 따라 진전하며 2차 균열이 주균열에서 파생되어 진전하고 있음을 알 수 있다. 다른 파단면 부위도 관찰하였는데 고속압축 하중에 의한 시험편의 손상기구는 연성재료의 대표적 손상기구인 딤플로 관찰되었다.
한편, 본 발명에 의한 SHPB 고속충돌 시험을 이용한 고속충돌 음향방출 측정 방법은 도 10에 도시된 바와 같이, SHPB 고속충돌 시험시 발생하는 응력파를 감지한 후 이를 해석하고 신호를 처리하는 고속충돌 음향방출 측정 방법으로서, 시험편이 구비된 SHPB에 고속의 충격하중을 가한 후(S20) 고속충돌시 발생하는 응력파를 음향방출 센서를 통해 감지하고, 이에 대한 단시간 퓨리에 변환을 통해 시간-주파수 영역으로 처리함으로써, 지배 주파수 성분으로 손상기구를 식별하는 신호처리 단계(S30)와; 고속충돌에 의해 파단된 시험편의 파단면을 주사전자현미경을 통해 관찰하는 파단면 관찰단계(S40)와; 상기 시험편에 인가된 충격하중에 의한 변형률 및 응력을 출력하고 소성변형이 개시되는 항복응력을 산출하는 항복응력 산출단계(S50); 및 상기 단계들에서 파악된 고속충격시 재료내부에서 발생하는 파손 모드와, 상기 시험편의 파면 형상 및 상기 시험편의 항복응력 데이터로부터 상기 시험편에 대한 고속충격 특성을 정량적으로 도출하는 특성 도출단계(S60);를 포함하여 이루어진다.
상기 신호처리 단계(30)는 도 11과 같이, 상기 음향방출 센서(150)를 이용하여 응력파를 감지(S31)한 한 후, 파형 획득모듈(210)을 이용하여 응력파를 획득(S32)하고, 변환 모듈(220)을 이용한 단시간 퓨리에 변환을 통해 획득된 응력파를 시간-주파수 영역으로 처리(S33)한 후, 시간-주파수 출력 모듈(230)을 통해 응력파의 시간-주파수를 출력(S34)하도록 구성된다.
한편, 상기 신호처리 단계(S30)에서는 응력파를 시간-주파수 영역으로 처리할 때 단시간 퓨리에 변환 대신 웨이블릿 변환을 이용할 수도 있다.
상기 항복응력 산출단계(S40)는 도 12와 같이, 상기 시험편(15)에 충격을 가한 후 상기 시험편(15)의 단위면적당 인가된 충격하중인 충격응력을 산출(S41)하고, 스트레인 게이지(30)를 이용하여 변위를 측정한 후 인가된 하중에 따른 변위를 변형전 변위로 나누어 변형률을 산출(S42)하며, 산출된 충격응력 및 변형률에 따른 응력-변형률 곡선을 이용하여 항복응력을 산출(S43)하도록 구성된다. 이때, 상기 항복응력 산출단계(S50)는 응력-변형률 관계로부터 0.2% 내력법을 이용하여 항복응력을 산출하는 것이 바람직하다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 SHPB 시험을 이용한 고속충돌 음향방출 측정 시스템 및 그 방법에 대한 전체적인 흐름을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 시험편(15)을 제작하기 위하여 RHA 강을 가공한 후 상기 시험편(15)의 직경(D) 및 길이(L)를 측정하고, 상기 시험편(15)과 음향방출 센서(150)를 웨이브 가이드 라인(155)으로 연결한다(S10). 그리고, 고속충격에 의해 상기 시험편(15)이 튕겨 나가지 않도록 상기 시험편(15)을 스플릿 홉킨슨 압력 바(10)의 출력봉(12)에 잘 접합시킨다. 다음으로 상기 스플릿 홉킨슨 압력 바(10)의 입력봉(11)에 고속으로 충격하중을 가하여 충격 시험을 행한다(S20). 이때 충격시험과 동시에 음향방출 시스템도 가동이 되어야 한다.
중앙제어부(500)는 상기 시험편(15)에 대하여 일정 거리를 이격하여 배치된 상기 음향방출 센서(150)를 이용하여 상기 입력봉(11)에 대한 고속충격시 발생하는 응력파를 획득한다. 상기 중앙제어부(500)는 응력감지부(100)를 통하여 상기 음향방출 센서(150)에 의해 감지된 응력파의 음향방출 인자를 추출해 낸다. 뿐만 아니라 신호처리부(200)를 통하여 파형을 처리하여 시간-지배 주파수 영역에서 손상모드를 구별해내게 된다. 이를 위하여 상기 신호처리부(200)는 단시간 퓨리에 변환 또는 웨이블릿 변환을 이용한다(S30).
그리고, 상기 신호처리부(200)에 의해 처리되어 디스플레이에 나타난 응력파의 시간-피크 주파수와 강도값을 이용하여 파손모드를 구별한다(S40). 일반적으로 응력파는 돌발형, 연속형, 돌발형과 연속형이 혼합형으로 나뉘어지는데 도 3에 나타낸 응력파는 연속형 응력파형에 해당하는 것으로 본 발명의 일실시예에 따른 고속충격시험시 재료의 미세균열이 진전할 시에 발생하는 파형이다.
또한, 상기 중앙제어부(500)는 산출부(400)의 응력 산출모듈(310)을 통해 상기 시험편(15)의 단위 면적당 인가된 충격하중으로 정의되는 응력을 산출한다(S42). 다음으로 변형률 산출모듈(320)을 통해 상기 시험편(15)에 충격 하중을 가한 후에 스트레인 게이지(30)에서 측정된 변위를 변형전 변위로 나누어 변형률을 산출한다(S44).
이상의 과정을 통해 응력과 변형률이 산출되면, 응력-변형률 그래프를 이용하여 항복응력 산출모듈을 통해 0.2% 내력법으로 항복응력을 산출한다(S46). 여기서 0.2% 내력법이란, 항복응력은 명확하지 않안 대부분의 금속재료에 있어서 0.2% 영구변형률(소성변형률)을 발생하는 응력값을 항복응력(항복강도)로 정하고 이때의 응력을 0.2% 내력으로 설정하는 방법을 의미한다.
이후, SEM부(400)를 이용하여 파단면을 관찰하고 파손 모드를 확인하며, 그 결과를 상기 중앙제어부(500)로 전송한다. 그리고, 상기 중앙제어부(500)는 고속충격시 재료 내부에서 발생하는 파손 모드와, 상기 시험편(15)의 파면 형상 및 상기 시험편(15)의 항복 응력데이터로부터 상기 시험편(15)에 대한 고속충격 특성을 정량적으로 도출한다.
이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 특허청구범위에 기재된 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없어 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
10...스플릿 홉킨슨 압력 바(Split Hopkinson Pressure Bar; SHPB)
11...입력봉
12...출력봉
13...스토퍼
15...시험편
20...스트라이커
30...스트레인 게이지
100...응력파 감지부
110...인자 설정모듈
120...제어모듈
130...출력 모듈
150...음향방출 센서
155...웨이브 가이드 라인
200...신호처리부
210...파형 획득 모듈
220...변환 모듈
230...시간-주파수 출력 모듈
300...산출부
310...응력 산출모듈
320...변형률 산출모듈
330...항복응력 산출모듈
400...SEM부
410...SEM 제어모듈
420...파면 관찰모듈
430...SEM 출력모듈
450...주사전자현미경(SEM)
500...중앙제어부

Claims (12)

  1. SHPB 고속충돌 시험을 이용한 고속충돌 음향방출 측정 시스템에 있어서,
    SHPB 고속충돌 시험에 사용되는 SHPB(10)의 시험편(15)으로부터 일정 거리를 가지고 연결된 하나 이상의 음향방출 센서(150)를 통해 응력파를 감지하는 응력파 감지부(100)와;
    상기 시험편(15)으로부터 획득한 응력파를 단시간 퓨리에 변환 또는 웨이블릿 변환을 통해서 신호를 시간-주파수 영역으로 처리하여 신호를 출력하고 해석하는 신호처리부(200)와;
    상기 시험편(15)에 인가된 고속 충격하중에 따라 측정한 변위와 하중을 통해서 변형전 길이로 나눈 변형률 및 상기 시험편(15)의 단위면적당 인가된 응력을 출력하고 소성변형이 개시되는 항복응력을 산출하는 산출부(300)와;
    주사전자현미경(SEM, 450)을 이용하여 상기 시험편(15)의 파단면을 관찰하는 SEM부(400)와;
    상기 시험편(15)에 인가된 하중의 측정값, 변위, 응력, 변형률 및 항복응력을 제어하는 중앙제어부(500);를 포함하는 것을 특징으로 하는 고속충돌 음향방출 측정 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 음향방출 센서(150)는 상기 시험편(15)에 직접 접촉되지 않고 웨이브 가이드라인(155)을 통해 응력파를 수신하여 고속충돌시의 응력파 감지를 수행하는 것을 특징으로 하는 고속충돌 음향방출 측정 시스템.
  3. 삭제
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 응력파 감지부(100)는, 상기 시험편(15)과 연결된 상기 음향방출 센서(150)에서 받아들이는 신호로부터 음향방출 인자를 설정하는 인자 설정모듈(110)과, 설정된 음향방출 인자를 제어하기 위한 제어모듈(120) 및 설정된 음향방출 인자와 함께 응력파형을 출력하는 출력 모듈(130)을 포함하는 것을 특징으로 하는 고속충돌 음향방출 측정 시스템.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 신호처리부(200)는 상기 응력파 감지부(100)에서 출력되는 응력파의 파형을 획득하는 파형 획득 모듈(210)과, 획득된 응력파의 파형을 단시간 퓨리에 변환 또는 웨이블릿 변환시키는 변환 모듈(220) 및 상기 변환 모듈에 변환된 응력파형의 신호를 시간-주파수 영역으로 출력하는 시간-주파수 출력 모듈(230)을 포함하는 것을 특징으로 하는 고속충돌 음향방출 측정 시스템.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 산출부(300)는, 상기 시험편(15)의 단위면적당 인가된 충격 하중인 충격응력을 산출하는 응력 산출모듈(310)과, 상기 시험편(15)에 충격 하중을 가한 후에 상기 시험편(15)에 인가된 충격 하중에 따른 변위를 변형전 시험편 길이로 나누어 변형률을 산출하는 변형률 산출모듈(320) 및 상기 응력 산출모듈(310)에 의해 산출된 응력과 상기 변형률 산출모듈(320)에 의해 산출된 변형률에 따른 응력-변형률 관계로부터 0.2% 내력법을 이용한 항복응력을 산출하는 항복응력 산출모듈(330)을 포함하는 것을 특징으로 하는 고속충돌 음향방출 측정 시스템.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 SEM부(400)는 주사전자현미경을 제어하는 SEM 제어모듈(410)과, 상기 주사전자현미경으로부터 수신된 영상신호를 이용하여 상기 시험편(15)의 파단면을 관찰하는 파면 관찰모듈(420) 및 상기 시험편(15)의 파면관찰 결과 중 손상상태를 출력하는 SEM 출력모듈(430)을 포함하는 것을 특징으로 하는 고속충돌 음향방출 측정 시스템.
  8. SHPB 고속충돌 시험시 발생하는 응력파를 해석하고 신호를 처리하는 고속충돌 음향방출 측정 방법에 있어서,
    시험편(15)이 구비된 SHPB(10)에 고속의 충격하중을 가한 후(S20) 고속충돌시 발생하는 응력파를 음향방출 센서(150)를 통해 감지하고, 이에 대한 단시간 퓨리에 변환을 통해 시간-주파수 영역으로 처리함으로써, 지배 주파수 성분으로 손상기구를 식별하는 신호처리 단계(S30)와;
    상기 시험편(15)에 인가된 충격하중에 의한 변형률 및 응력을 출력하고 소성변형이 개시되는 항복응력을 산출하는 항복응력 산출단계(S40)와;
    고속충돌에 의해 파단된 상기 시험편(15)의 파단면을 주사전자현미경을 통해 관찰하는 파단면 관찰단계(S50); 및
    상기 단계들에서 파악된 고속충격시 재료 내부에서 발생하는 파손 모드와, 상기 시험편(15)의 파면 형상 및 상기 시험편(15)의 항복응력 데이터로부터 상기 시험편(15)에 대한 고속충격 특성을 정량적으로 도출하는 특성 도출단계(S60);를 포함하고,
    상기 신호처리 단계(30)는, 상기 음향방출 센서(150)를 이용하여 응력파를 감지(S31)한 한 후, 파형 획득모듈(210)을 이용하여 응력파를 획득(S32)하고, 변환 모듈(220)을 이용한 단시간 퓨리에 변환을 통해 획득된 응력파를 시간-주파수 영역으로 처리(S33)한 후, 시간-주파수 출력 모듈(230)을 통해 응력파의 시간-주파수를 출력(S34)하는 것을 특징으로 하는 고속충돌 음향방출 측정방법.
  9. 삭제
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 신호처리 단계(S30)에서 응력파를 시간-주파수 영역으로 처리할 때 단시간 퓨리에 변환 대신 웨이블릿 변환을 이용하는 것을 특징으로 하는 고속충돌 음향방출 측정 방법.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 항복응력 산출단계(S40)는, 상기 시험편(15)에 충격을 가한 후 상기 시험편(15)의 단위면적당 인가된 충격하중인 충격응력을 산출(S41)하고, 스트레인 게이지(30)를 이용하여 변위를 측정하여 인가된 하중에 따른 변위를 변형전 변위로 나누어 변형률을 산출(S42)하며, 산출된 충격응력 및 변형률에 따른 응력-변형률 곡선을 이용하여 항복응력을 산출(S43)하는 것을 특징으로 하는 고속충돌 음향방출 측정 방법.
  12. 제 8 항, 제10항, 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 항복응력 산출단계(S40)는 응력-변형률 관계로부터 0.2% 내력법을 이용하여 항복응력을 산출하는 것을 특징으로 하는 고속충돌 음향방출 측정 방법.


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