KR101447833B1 - 응력 확대 계수 측정 방법 - Google Patents

응력 확대 계수 측정 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101447833B1
KR101447833B1 KR1020130113985A KR20130113985A KR101447833B1 KR 101447833 B1 KR101447833 B1 KR 101447833B1 KR 1020130113985 A KR1020130113985 A KR 1020130113985A KR 20130113985 A KR20130113985 A KR 20130113985A KR 101447833 B1 KR101447833 B1 KR 101447833B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
stress
intensity
intensity factor
tensile specimen
strength
Prior art date
Application number
KR1020130113985A
Other languages
English (en)
Inventor
김지식
손기선
장일영
Original Assignee
경북대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 경북대학교 산학협력단 filed Critical 경북대학교 산학협력단
Priority to KR1020130113985A priority Critical patent/KR101447833B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101447833B1 publication Critical patent/KR101447833B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/24—Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/16—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/24—Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet
    • G01L1/241—Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet by photoelastic stress analysis
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N3/02—Details
    • G01N3/06—Special adaptations of indicating or recording means
    • G01N3/068—Special adaptations of indicating or recording means with optical indicating or recording means

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)

Abstract

일 실시예에 따른 응력 확대 계수 측정 방법은, 구조물이 아크릴 레진형 압광 페인트에 의해 도포되는 단계, 상기 구조물의 균열 첨단에서의 압광 강도가 측정되는 단계, 상기 압광 강도에 따른 유효 응력이 결정되는 단계 및 상기 구조물의 응력 확대 계수가 계산되는 단계를 포함할 수 있다.

Description

응력 확대 계수 측정 방법{METHOD OF MEASURING STRESS INTENSITY FACTOR}
본 발명은 응력 확대 계수 측정 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 압광 페인트를 이용하여 균열 첨단에서의 발광현상을 측정한 후, 실시간으로 가해지고 있는 균열 첨단에서의 응력 확대 계수 측정 방법에 관한 것이다.
응력 확대 계수 (stress intensity facttor; SIF) 값이 균열 첨단과 전형적인 균열 첨단 근처에서의 등색곡선(isochormatic) 패턴에서 주어진 프린지 루프상의 최원점 사이의 거리 및 균열 연장선과 최원점 사이의 회전각으로부터 계산 가능하다는 것이 Irwin에 의해 밝혀진 이후, 다수의 연구자들에 의해 균열 첨단 응력장 근처에서의 정적 및 동적 문제들을 해석하기 위하여 등색곡선 패턴으로부터의 파괴인성 (mode I fracture toughness; KI) 값 측정 시도들이 활발하게 이루어져 왔다.
여기에 더하여 유사한 목적으로 응력 확대 계수 값을 평가하기 위한 광학적인 방법들이 탄성 및 소성역에서의 균열 현상 연구들을 통해 개발되어왔다.
구체적으로는 광학적인 방법, 모아레 패턴에 기반한 방법, 변형된 표면에서의 왜곡현상을 이용한 방법, 광학 간섭법, 홀로그래피법, 광학현미경을 이용한 소성역의 부식기법 등을 포함한 금속학적 접근법 등을 들 수 있다.
또한, 2001년 8월 27일에 출원된, 선행문헌 KR10-2001-0051894에서는 체적-경계 적분방적식 법에 기초한 응력 해석 방법에 대하여 개시된다.
일 실시예에 따른 목적은 압광 기술을 이용하여 응력에 대한 반응시간이 상대적으로 짧으므로, 일반적인 균열 전진뿐만 아니라, 동적 조건에서 전파되는 균열에 대한 측정을 할 수 있는 응력 확대 계수 측정 방법을 제공하는 것이다.
일 실시예에 따른 목적은 압광 페인트를 이용하여 균열 첨단 응력장을 가시적으로 관찰할 수 있으며, 실험적인 오차를 최소화하여 정확성이 향상된 응력 확대 계수 측정 방법을 제공하는 것이다.
일 실시예에 따른 목적은 저 응력 확대 계수 범위에서도 균열 첨단 응력장 관찰이 가능한 정지 균열 탐지 기술을 제공할 수 있는 응력 확대 계수 측정 방법을 제공하는 것이다.
일 실시예에 따른 목적은 구조물에 적용하여 비파괴 안전 진단을 위한 균열 탐지를 수행함과 동시에, 구조물에 존재하는 균열 첨단에서의 응력 확대 계수를 측정할 수 있는 응력 확대 계수 측정 방법을 제공하는 것이다.
일 실시예에 따른 목적은 저비용의 단순한 기술적 요구들로 인해 적용범위가 상대적으로 넓은 응력 확대 계수 측정 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 일 실시예에 따른 응력 확대 계수 측정 방법은, 구조물이 아크릴 레진형 압광 페인트에 의해 도포되는 단계, 상기 구조물의 균열 첨단에서의 압광 강도가 측정되는 단계, 상기 압광 강도에 따른 유효 응력이 결정되는 단계 및 상기 구조물의 응력 확대 계수가 계산되는 단계를 포함할 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 구조물의 유효 응력별 압광 강도에 대한 데이터가 미리 마련될 수 있으며, 상기 압광 강도에 따른 유효 응력이 결정되는 단계에서, 상기 압광 강도에 따른 유효 응력은 상기 데이터로부터 획득될 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 구조물의 응력 확대 계수가 계산되는 단계에서, 상기 구조물의 응력 확대 계수 KID는,
Figure 112013086959612-pat00001
에 의해 연산되고, 이때, σ1, T는 상기 압광 강도에 따른 유효 응력, θ는 자연 균 균열이 도입된 방향으로부터 반시계 방향으로의 각도, 및 r은 균열 첨단으로부터의 거리를 나타낼 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 구조물의 균열 첨단에서의 압광 강도가 측정되는 단계에서, 상기 압광 강도는 카메라 또는 다채널 데이터 링크 장치에 의해 측정될 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 일 실시예에 따른 응력 확대 계수 측정 방법은, 소형 인장 시편이 제작되는 단계, 상기 소형 인장 시편에 자연 균열이 도입되는 단계, 상기 소형 인장 시편에 대하여 인장 시험이 수행되는 단계, 상기 소형 인장 시편의 균열 첨단에서의 압광 강도가 측정되는 단계, 상기 압광 강도에 따른 유효 응력이 결정되는 단계 및 상기 소형 인장 시편의 응력 확대 계수가 연산되는 단계를 포함할 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 소형 인장 시편의 유효 응력별 압광 강도에 대한 데이터가 미리 마련될 수 있으며, 상기 압광 강도에 따른 유효 응력이 결정되는 단계에서, 상기 압광 강도에 따른 유효 응력은 상기 데이터로부터 획득될 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 소형 인장 시편의 응력 확대 계수가 연산되는 단계에서, 상기 소형 인장 시편의 응력 확대 계수 KID는,
Figure 112013086959612-pat00002
에 의해 연산되고, 이때, σ1, T는 상기 압광 강도에 따른 유효 응력, θ는 자연 균 균열이 도입된 방향으로부터 반시계 방향으로의 각도, 및 r은 균열 첨단으로부터의 거리를 나타낼 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 소형 인장 시편에 대하여 인장 시험이 수행되기 전에, 상기 소형 인장 시편이 350 내지 380nm 사이의 고밀도 자외선에 의해 처리되는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 소형 인장 시편은 중량비 60 내지 80%의 아크릴 레진형 투명 페인트 및 중량비 20 내지 40%의 압광 분말을 혼합한 후 가열 가압 성형에 의해 제작될 수 있다.
일 실시예에 따른 응력 확대 계수 측정 방법에 의하면 압광 기술을 이용하여 응력에 대한 반응시간이 상대적으로 짧으므로, 일반적인 균열 전진뿐만 아니라, 동적 조건에서 전파되는 균열에 대한 측정을 할 수 있다.
일 실시예에 따른 응력 확대 계수 측정 방법에 의하면 압광 페인트를 이용하여 균열 첨단 응력장을 가시적으로 관찰할 수 있으며, 실험적인 오차를 최소화하여 정확성이 향상될 수 있다.
일 실시예에 따른 응력 확대 계수 측정 방법에 의하면 저 응력 확대 계수 범위에서도 균열 첨단 응력장 관찰이 가능한 정지 균열 탐지 기술을 제공할 수 있다.
일 실시예에 따른 응력 확대 계수 측정 방법에 의하면 구조물에 적용하여 비파괴 안전 진단을 위한 균열 탐지를 수행함과 동시에, 구조물에 존재하는 균열 첨단에서의 응력 확대 계수를 측정할 수 있다.
일 실시예에 따른 응력 확대 계수 측정 방법에 의하면 저비용의 단순한 기술적 요구들로 인해 적용범위를 넓힐 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 응력 확대 계수 측정 방법을 도시한 순서도이다.
도 2 (a) 내지 (e)는 균열 첨단에 대한 응력 속도 상태를 고속 카메라를 이용하여 가시화한 결과들을 도시한다.
도 3(a)는 파괴시편을 도시하고, 도 3(b) 내지 (e)는 정적 하중 부과 과정에서 누적 압광 프린지 패턴의 변화를 도시한다.
도 4 (a) 내지 (e)는 인장 시편에서의 단순 일축 인장 하중의 변화에 따른 응력 속도의 변화를 압광 강도로 측정한 결과를 도시한다.
도 5는 압광 강도를 누적하여 유효 응력의 값으로 나타낸 결과를 도시한다.
도 6은 균열 첨단에서의 응력장 형태를 비교하기 위해 계산식에 의해 유도된 이론 곡선과 압광에 의해 실측된 등강도 곡선을 상호 비교를 도시한다.
이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 일 실시예에 따른 응력 확대 계수 측정 방법을 도시한 순서도이고, 도 2 (a) 내지 (e)는 소형 인장 시편의 균열 첨단에 대한 응력 속도 상태를 가시화한 결과들을 도시하고, 도 3(a)는 파괴시편을 도시하고, 도 3(b) 내지 (e)는 정적 하중 부과 과정에서 누적 압광 프린지 패턴의 변화를 도시하고, 도 4 (a) 내지 (e)는 인장 시편에서의 단순 일축 인장 하중의 변화에 따른 응력 속도의 변화를 압광 강도로 측정한 결과를 도시하고, 도 5는 압광 강도를 누적하여 유효 응력의 값으로 나타낸 결과를 도시하고, 도 6은 균열 첨단에서의 응력장 형태를 비교하기 위해 계산식에 의해 유도된 이론 곡선과 압광에 의해 실측된 등강도 곡선을 상호 비교를 도시한다.
도 1을 참조하여, 일 실시예에 따른 응력 확대 계수 측정 방법이 수행될 수 있다.
우선 구조물에 아크릴 레진형 압광 페인트를 도포한다(S10).
이어서, 구조물의 균열 첨단에서의 압광 강도를 측정한다(S20).
이때, 압광 강도는 카메라 또는 다채널 데이터 링크 장치에 의해 측정될 수 있다.
측정된 압광 강도를 통하여, 측정된 압광 강도에 대응하는 유효 응력이 결정된다(S30).
이때, 압광 강도에 대응하는 유효 응력은 다음과 같이 결정될 수 있다.
상기 구조물은 유효 응력별 압광 강도가 미리 측정될 수 있다. 이를 통해 유효 응력에 따른 압광 강도의 데이터를 획득할 수 있다.
또한, 유효 응력에 따른 압광 강도의 데이터를 통해서, 압광 강도를 통한 유효 응력 또한 유추할 수 있다.
구체적으로, 유효 응력 A에 대한 압광 강도가 B인 것으로 기실험을 통해 데이터를 얻었다면, 구조물의 압광 강도가 B로 측정된 경우, 이때의 해당 유효 응력은 A라는 것을 역으로 예측할 수 있다.
이러한 방식으로, 기실험을 통해 얻은 여러 개의 데이터들을 통해, 구조물의 균열 상태에 따른 압광 강도의 측정만으로도, 그에 해당하는 유효 응력을 쉽게 획득할 수 있다.
이와 같이 유효 응력이 결정된 후에, 구조물의 응력 확대 계수가 계산될 수 있다(S40).
구체적으로, 구조물의 응력 확대 계수 KID는,
Figure 112013086959612-pat00003
에 의해 연산될 수 있으며, 이때, σ1, T는 상기 압광 강도에 따른 유효 응력, θ는 자연 균 균열이 도입된 방향으로부터 반시계 방향으로의 각도, 및 r은 균열 첨단으로부터의 거리를 나타낼 수 있다.
이와 같이, 일 실시예에 따른 응력 확대 계수 측정 방법에 의하여, 구조물에 적용하여 비파괴 안전 진단을 위한 균열 탐지를 수행함과 동시에, 구조물에 존재하는 균열 첨단에서의 응력 확대 계수를 측정할 수 있다. 게다가 비교적 간단한 방법에 의하여 측정이 이루어지므로, 저비용의 단순한 기술적 요구들로 인하여, 적용범위를 넓힐 수 있다.
이하에서는 일 실시예에 따른 응력 확대 계수 측정 방법이 소형 인장 시편의 응력 확대 계수 측정에 대하여 적용된 실험에 대하여 설명된다.
우선 소형 인장 시편이 제작될 수 있다.
상기 소형 인장 시편은 구체적으로 다음과 같이 제작될 수 있다.
우선, 중량비 60 내지 80%, 바람직하게 70%의 아크릴 레진형 투명 페인트 및 20 내지 40, 바람직하게 30%의 압광 분말을 혼합되고, 혼합된 아크릴 레진형 투명 페인트와 압광 분말을 가열 가압 성형한다.
이와 같이 기계가공에 의해 완성된 소형 인장 시편은 직경 30mm, 두께 3mm 크기의 디스크(disc) 형상으로 마련될 수 있다.
또한, 예리한 균열의 도입을 위하여 소형 인장 시편에 중심부 가공 파괴 균열의 곡률 및 응력 전달을 위한 핀 홀의 크기를 각각 50um와 5.6mm로 형성할 수 있다.
이후, 상기 소형 인장 시편에 자연 균열이 도입된다.
예를 들어, 자연 균열은 예비 하중 전달판(loading stage)을 통해 생성되고 전파될 수 있으며, 상기 예비 하중 전달판은 하중 전달의 정확한 제어를 위해 특수 설계된 모터와 2중 감속 기어를 사용하여 제작될 수 있다.
이때, 소형 인장 시편은 예비 하중 전달판을 통해 예를 들어, 2mm의 자연 균열이 도입될 수 있다.
이와 같이, 소형 인장 시편에 대한 준비가 완료된 후에, 소형 인장 시편에 대하여 인장 시험이 수행된다. 즉, 인장 시험 장치에 소형 인장 시편을 장착한 후 인장 시험이 개시된다.
그러나, 인장 시험 전에 소형 인장 시편은 350 내지 380nm 파장의 고밀도 자외선에 대하여 5분간의 여기와 1분 동안의 완화과정을 거친 후 목표 하중에 노출될 수 있다.
이는 소형 인장 시편이 압광 현상을 유발하게 하기 위한 것이며, 구체적으로 기본적으로 압광 현상에 있어 가장 주요한 활성인자인 Eu2 + 이온들이 통상 외부 에너지의 공급(UV 램프 조사 등)에 의해 광-여기 현상이 일어나면 충만대로의 홀 방출을 발생시키게 된다. 이후 방출된 홀은 Dy3 +이온들이 충만대 (valence band) 상의 홀 트랩 에너지 준위를 구성하게 되므로 결과적으로 Dy4 +에 의해 트랩될 수 밖에 없다.
이때 하중이 외부에서 부가되면, 트랩된 홀은 터널링 및 충만대를 경유하는 두 가지 경로에 의해 방출되어 Eu+ 활성인자와 재결합함으로써, Eu2 + 여기 상태를 만들게 되며, 그 즉시 즉각적인 기저 상태로의 전환에 의해 압광 현상을 유발할 수 있다.
이러한 압광 현상을 이용한 낮은 응력 확대 계수 조건에서의 균열첨단 응력장 가시화를 위해 소형 인장 시편은 제1 속도, 예를 들어 80N/sec. 의 속도로 제1 최대 하중, 예를 들어 61N까지 균열 전진이 일어나지 않도록 조절하여 하중이 부가될 수 있다.
그런 다음, 소형 인장 시편의 균열 첨단에서의 압광 강도가 측정된다.
이때, 소형 인장 시편의 균열 첨단은 디지털 카메라를 이용하여 60 frame/sec. 의 저속으로 연속적으로 촬영될 수 있다.
특히, 도 2(a) 내지 (e)를 참조하여, 촬영된 결과를 확인할 수 있다.
구체적으로, 도 2(a)는 응력이 가해지기 직전의 초기 조건 시편으로 희미한 정적 형광 흔적만을 보이고 있다. 반면에, 도 2(b) 내지 (e)에서는 외부 응력이 45, 51, 57 및 61N으로 증가되어, 균열첨단 부위에서는 명백한 타원형의 발광 현상을 공통적으로 관찰할 수 있다.
또한, 기본적으로 발광량은 하중 속도에 비례하므로, 도면에서의 발광량 변화는 비록 크지 않으나, 외부 응력의 증가에 따라 발광량이 미약하게나마 증가되는 현상을 관찰할 수 있다.
이는 압광 소재의 발광량이 하중부가속도에 직선적으로 비례하지는 않는다는 사실을 어느 정도 미리 예측할 수 있는 결과라 할 수 있다.
이와 같이, 도 2(a) 내지 (e)를 통하여, 소형 인장 시편이 하중 부가 속도 80N/sec. 의 조건으로 최대 61N까지 인장되면서 초당 60 프레임의 속도로 기록되었으므로, 0에서부터 61N까지 총 60프레임의 발광 사진이 획득되었음을 알 수 있다.
게다가, 이러한 균열 첨단에서의 응력장을 압광에 의해 측정된 발광량의 항으로 표시하기 위하여, 주어진 하중까지의 총 누적 발광량을 예를 들어, MATLAB 소프트웨어를 이용하여, 도 3(a)의 파괴시편 도면과 함께 도 3(b) 내지 (e)에 등강도 곡선으로 표현할 수 있다.
이때, 압광에 의한 발광량이 응력 속도에 비 선형적으로 비례함을 고려하면, 부가 하중의 변화에 따른 균열 첨단에서의 응력 상태를 표시하기 위해서는 0 에서 부가 하중까지의 모든 발광량을 적분하는 것이 가장 간단한 방법임을 쉽게 짐작할 수 있다.
따라서 도 3(b)에서 45N의 외부 하중이 부가된 경우의 균열 첨단 응력장을 누적 압광량으로 표시하기 위해서는 0에서 41N까지 총 31장의 발광 사진이 적분되었음을 알 수 있다. 유사한 방법으로 도 3(c) 내지 (e)에 해당되는 51, 57, 및 61N 조건에서의 결과는 36, 41, 및 46 프레임의 압광 사진 누적 결과로부터 얻어질 수 있었다.
또한, 도 3의 정적 하중 부가 과정에서 누적 압광 프린지 패턴의 변화를 보다 상세히 살펴보면, 도 2의 단순 비 누적 압광 결과와는 달리 모든 패턴에서의 개별적인 등고선들은 대부분 동일한 형태로 유지되는 반면, 소형 인장 시편의 인장에 따른 전역 압광 누적 강도는 급격히 증가됨을 관찰할 수 있다.
이러한 현상을 보다 상세히 살펴보기 위하여 표 1에 부가 하중 변화에 따른 균열 첨단에서의 최단 등고선 1, 2번 선에 대한 누적 강도 값을 정량적으로 표시하였다.
부가 하중(N) 45N 51N 57N 61N
누적 강도
등고선 1 0.24571 0.372076 0.518242 0.686808
등고선 2 0.17481 0.287976 0.420642 0.575208
기본적으로 외부 응력에 의해 발생된 응력 확대 계수 값에 비례하는 등고선 1에서의 유효 응력 값은 등고선 2에서의 값에 비해 상대적으로 높은 것이 당연하므로 등고선 1의 발광 강도 값이 등고선 2에 비해 상대적으로 높게 측정되었음은 명백하다 할 것이다.
또한 부가 하중의 증가에 따라 균열 첨단에서의 유효응력 집중이 증가되어야 하므로 균열 첨단으로부터 대략 1mm 정도의 위치에서 측정된 등고선 1의 발광 강도가 0.25에서 0.69로 증가되는 현상을 보여 주었다.
이를 통해, 압광 기술에 의해 측정된 균열 첨단에서의 응력장 변화가 Irwin의 제안에 기초한 등강도 패턴으로부터 응력 확대 계수를 결정함에 있어 정적 균열 첨단에서의 이론적 및 실험적 선행 결과들과 잘 일치됨을 알 수 있다.
아울러, 압광 기술을 이용함으로써 소형 인장 시편의 외부 하중 부가에 따른 균열 첨단 영역에서의 하중 속도 변화 및 응력 분포가 효과적으로 가시화될 수 있다.
구체적인 응력 확대 계수의 계산에 대하여는 이하에 자세히 설명된다.
그러나, 소형 인장 시편의 응력 확대 계수에 대한 결과값을 보완하기 위해, 다음과 같은 보완적인 단계가 수행될 수 있으며, 이러한 보완적인 단계는 소형 인장 시편에 대한 실험이 이루어지기 이전에 수행될 수 있다.
우선, 압광 인장 시편이 제작된다.
상기 압광 인장 시편은 전술된 압축 인장 시편과 동일하게 마련될 수 있다.
특히, 압광 분말과 레진 사이의 밀착력을 개선하기 위하여, 아크릴 레진형 투명 페인트를 이용하는 경우, 콘크리트 소재에 적용 가능한 1-2 MPam1 /2 수준의 저 응력 확대 계수 범위에서도 균열 첨단 응력장 관찰을 할 수 있다.
이렇게 하여, 압광 인장 시편은 게이지 길이 12mm, 폭 및 두께 4mm의 인장시편으로 최종 제조될 수 있다.
이후, 압광 인장 시편은 본격적인 시험을 위해 인장 시험기의 인장 하중 부가 장치에 장착된 후, 하중이 부가되기 전에 암실 조건에서 365nm 파장의 고밀도 자외선에 5분간에 걸친 여기(excitation) 및 1분간의 장 잔광(long phosphorescence) 완화 처리를 거친다.
이어서, 압광 인장 시편은 인장 시험기에 의해 인장 시험이 수행된다.
이때, 인장 시험은 240N/sec. 의 속도로 400N까지 항복 응력 이하 수준으로 탄성역 범위에서 시행된다.
이와 같이 시험이 진행되는 동안, 각 하중 부가 단계에서의 압광 현상 및 발광량 정량, 즉 압광 인장 시편의 유효 응력에 대한 압광 강도가 측정될 수 있다.
이러한 측정은 인장 시험기에 고속 디지털 카메라 및 다채널 데이터 링크(MCDL) 장치를 추가로 설치하여 수행될 수 있으며, 특히 다채널 데이터 링크(MCDL) 장치를 이용함으로써 인장시험기의 로드셀로부터 측정된 하중 값과 각 하중 값에서의 게이지부 압광 현상 및 발광 디지털 영상간의 데이터 동기화를 가능하게 한다.
특히, 도 4를 참조하여, 인장 시편에서의 단순 일축 인장 하중의 변화에 따른 응력 속도의 변화를 압광 강도로 측정한 결과를 알 수 있다.
도 4(a) 내지 (e)는 0, 100, 200, 300, 및 400N의 부가 하중조건에서 기록된 인장 시편의 발광 사진에 해당된다.
전반적으로 소형 인장 시편에서 시험결과와 비교해 볼 때, 인장 시편 전체 게이지 영역에서의 균등한 하중 속도 조건으로 인한 균일 발광 분포 현상을 제외하면 압광 현상에서의 두드러진 변화는 관찰되지 않았다.
다만, 실험적인 측면에서는 압광 인장 시편의 인장 시험의 경우 240N/sec. 의 비교적 높은 하중 속도로 응력이 부가되었는데, 이는 80N/sec. 의 조건으로 인장된 소형 인장 시편에서 상대적으로 빠른 균열 첨단 영역의 하중 부가 속도를 모사하기 위하여 인위적으로 시험 속도를 높인 결과이다.
물론 이론적으로는 하중속도 변화에도 불구하고 측정하려는 시편 영역에서의 최종적으로 부가될 유효 응력 수준이 동등하다면, 총 누적 압광량은 동일하여야 한다. 이는 응력 또는 변형에 의해 기계적으로 축적된 에너지가 에너지 보존 법칙 하에서 가시적인 포톤으로 변환되어 방출 되어야 하기 때문에 물리적으로 매우 타당한 가정이라 할 수 있다.
그러나 가시화 시스템의 민감도 및 SAO 압광 소재의 포톤 누설에 의한 완화 현상 등을 고려할 때 소형 인장 시편 및 압광 인장 시편과 같이 서로 다른 형태의 시편으로부터 발광량을 측정함에 있어 두 개의 서로 다른 영역에서 하중 부가 속도를 유사한 수준으로 유지하는 것이 실험적인 오차를 최소화할 수 있는 방안으로 선택될 수 있다.
또한, 도 5와 같이, 압광 강도를 누적하여 유효 응력의 값으로 나타내어, 압광 인장 시편 게이지 부에서의 응력장을 압광량으로 평가할 수 있다.
기본적으로, 압광 인장 시편에서의 발광량 누적 과정은 전술한 소형 인장 시편에서의 누적 방법과 완전히 동일하며, 0에서부터 특정 하중까지의 모든 가시화 사진을 적분한 후 게이지 부에서의 전체 픽셀에 대한 평균 누적 강도 값을 계산하였다. 이러한 과정은 다채널 데이터 링크 시스템에 기록된 모든 하중 값에 대하여 개별적으로 수행되었으며, 이후 각각의 하중 값은 시편 단면적을 고려하여 응력 값으로 변환함으로써 도 5의 유효 응력과 누적 발광량 사이의 상관관계를 실험적으로 제시할 수 있다.
결과적으로, 도 5를 참조하여, [표 1]에서 측정된 등강도 패턴의 압광 측정치에 대응되는 유효 응력 값을 표 2에서와 같이 표시할 수 있다.
부가 하중(N) 45N 51N 57N 61N
유효 응력
등고선 1 13.71 17 19.97 23
등고선 2 11.69 14.76 18.24 21
이를 통해, 압광 인장 시편의 결과로부터 얻어진 압광 누적량에 대한 유효 응력 값을 소형 인장 시편의 결과에 치환함으로써, 압광 현상의 해석에 보다 유리한 환경을 조성할 수 있다.
마지막으로, 소형 인장 시편의 최종적인 응력 확대 계수를 연산한다.
구체적으로, 소형 인장 시편의 최종적인 응력 확대 계수는 다음과 같이, 편차 응력에 기반한 압광 패턴으로부터 결정될 수 있다.
우선, 균열 첨단에서의 부과응력 수준이 선형 탄성 영역이고 시편의 두께가 평면 응력조건을 만족할 만큼 얇다고 가정하면, 압광 등강도 곡선을 이용한 소형 인장 시편의 응력 확대 계수 값 연산은 아래의 간단한 수식 전개를 따르게 된다. 먼저 균열 첨단에서의 응력장은 아래 식들로 기술될 수 있으며,
Figure 112013086959612-pat00004
(1)
여기서 σx, σy, 및 σxy는 도 2의 x-y 좌표축을 중심으로 x, y 방향 및 xy 면에서의 응력 값들을 표시하며, KI은 인장 시험에 의한 응력 확대 계수, θ는 x 축으로부터 반시계 방향으로의 각도, r은 균열첨단으로부터의 거리를 나타낸다.
식 (1)은 다시 아래의 주 응력 형태의 식으로 변환될 수 있다.
Figure 112013086959612-pat00005
(2)
여기서, 편차 응력의 변화가 형광 특성을 유발한다고 가정하면, 누적 임계 압광 강도에 비례하는 임계 유효 유발 응력은 소성 변형에 필요한 항복 조건과 유사한 식 (3)의 형태로 결정될 수 있다. 전위 움직임이 압광 재료의 발광에 일차적인 요인으로 작용한다고 가정할 때 이러한 항복 조건의 사용은 매우 타당한 것으로 판단된다.
Figure 112013086959612-pat00006
(3)
그런데, 압광 인장 시편에 단순 일축 응력이 부가되는 경우 측정된 압광 강도는 σ2 및 σ3가 0이므로 측정된 압광 강도는 아래 식 3 (a)와 같이 인장 시험기에 의해 부가된 일축응력 σ1에 비례하게 된다.
Figure 112013086959612-pat00007
(3a)
한편 소형 인장 시편의 경우에는 평면 응력 조건을 가정하면 σ3=0이므로, 소형 인장 시편 특정 위치에서의 주응력을 각각 σF,1, σF,2라 하면 식 (3)은 아래 식 (3b)로 표시될 수 있다.
Figure 112013086959612-pat00008
(3b)
식 (3a) 와 식 (3b)를 조합하면 다음의 식 (4)에서와 같이, 디스크 형태의 소형 압축 시편 균열 첨단 영역에서 가시화된 등강도 압광 곡선을 실험적으로 측정된 단순 일축 인장에서의 응력 값으로 치환할 수 있다.
Figure 112013086959612-pat00009
(4)
최종적으로 식 (4)에 식 (2)의 주응력과 식 (1)의 균열첨단 응력장 식을 도입하면 아래와 같은 식 (5)의 응력 확대 계수 식을 유도할 수 있게 된다.
Figure 112013086959612-pat00010
(5)
여기서 KId는 최종적인 응력 확대 계수 값을 나타낸다.
상기 식을 이용한 실제 연산과정 즉, 소형 인장 시편의 균열 첨단에서 가시화된 압광 강도로부터 KId 값을 얻기 위해서는, 우선 [표 2]에서 살펴볼 수 있듯이 도 3의 일정 강도에 해당되는 주어진 등강도 곡선에 대응되는 동일 압광 강도의 인장 응력을 도 5로부터 추출하여야 한다.
이후 도 3의 등강도 곡선으로부터 수 혹은 수십 개의 점을 선택하여 (r, θ) 의 극좌표 값을 측정한다. 이때 기본적으로 하나의 극좌표 값으로부터 응력 확대 계수 값을 계산하는 것이 가능하지만, 연산 상의 오차를 줄이기 위해 여러 개의 좌표에 대하여 최소자승법에 적용할 수 있다.
또한, 도 6을 참조하여, 응력 확대 계수 값에 더하여 균열 첨단에서의 응력장 형태를 비교하기 위해 식(5)에 의해 유도된 이론 곡선과 압광에 의해 실측된 등강도 곡선을 상호 비교 하였다.
도 6에서 가장 두드러진 점은 두 예측 및 실측 곡선이 비록 완벽히 일치하지는 못하였으나 그 크기와 형태가 허용 오차 범위 내에서 일반적인 균열 첨단 현상들을 설명하기에 충분한 정도로 비교적 잘 일치하였다는 점이다.
특히, 이론 및 실측 곡선 모두 외부 하중 증가에 따라 확대되는 결과를 보여 주었는데, 이는 균열 첨단에서의 응력집중에 따른 실제 현상을 잘 반영한 결과라 할 수 있다.
다만, 실험적으로 측정된 등강도 곡선의 경우 약간의 비대칭 형태를 띠면서 음의 y축 방향에 비해 양의 y축 방향으로 다소 확대된 양상을 보여 주었는데, 이는 사전 자연 균열 도입 시 발생된 균열 첨단의 틸팅(tilting) 효과에 기인한 것으로 판단된다.
또한, 실험적으로 측정된 등강도 곡선의 경우 시각 시스템에서의 가시화 과정에서 도입되는 노이즈 효과도 포함하여 다소 매끄럽지 못한 굴곡된 곡선형을 가지고 있음을 알 수 있다.
그러나 이러한 예비 균열의 틸팅 효과 및 가시화 과정의 노이즈 현상에도 불구하고, 결과적으로 실험적으로 측정된 곡선과 이론적 예측 곡선은 ±45도 범위 안에서 완벽에 가까운 일치를 보여 주었다.
따라서 본 연구에서 제시된 결과 및 예측들을 고려해 볼 때 편차 응력에 기반한 압광 곡선으로부터 응력 확대 계수 값을 결정하는 것이 보다 실제의 균열 현상에 가까운 것으로 결론지을 수 있다.
이와 같이, 일 실시예에 따른 응력 확대 계수 측정 방법은 구조물에 적용하여 비파괴 안전 진단을 위한 균열 탐지를 수행함과 동시에, 구조물에 존재하는 균열 첨단에서의 응력 확대 계수를 측정할 수 있으며, 압광 페인트를 이용하여 균열첨단 응력장을 가시적으로 관찰할 수 있으며, 실험적인 오차를 최소화하여 정확성이 향상시킬 수 있다. 게다가, 저 응력 확대 계수 범위에서도 균열 첨단 응력장 관찰이 가능한 정지 균열 탐지 기술을 제공할 수 있고, 저비용의 단순한 기술적 요구들로 인해 적용범위가 넓을 수 있다.
이상과 같이 본 발명의 실시예에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (9)

  1. 구조물이 아크릴 레진형 압광 페인트에 의해 도포되는 단계;
    상기 구조물의 균열 첨단에서의 압광 강도가 측정되는 단계;
    상기 압광 강도에 따른 유효 응력이 결정되는 단계; 및
    상기 구조물의 응력 확대 계수가 계산되는 단계;
    를 포함하는 응력 확대 계수 측정 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 구조물의 유효 응력별 압광 강도에 대한 데이터가 미리 마련될 수 있으며, 상기 압광 강도에 따른 유효 응력이 결정되는 단계에서, 상기 압광 강도에 따른 유효 응력은 상기 데이터로부터 획득될 수 있는 응력 확대 계수 측정 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 구조물의 응력 확대 계수가 계산되는 단계에서, 상기 구조물의 응력 확대 계수 KID는,
    Figure 112013086959612-pat00011

    에 의해 연산되고,
    이때, σ1, T는 상기 압광 강도에 따른 유효 응력, θ는 자연 균열이 도입된 방향으로부터 반시계 방향으로의 각도, 및 r은 균열 첨단으로부터의 거리를 나타내는 응력 확대 계수 측정 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 구조물의 균열 첨단에서의 압광 강도가 측정되는 단계에서, 상기 압광 강도는 카메라 또는 다채널 데이터 링크 장치에 의해 측정되는 응력 확대 계수 측정 방법.
  5. 소형 인장 시편이 제작되는 단계;
    상기 소형 인장 시편에 자연 균열이 도입되는 단계;
    상기 소형 인장 시편에 대하여 인장 시험이 수행되는 단계;
    상기 소형 인장 시편의 균열 첨단에서의 압광 강도가 측정되는 단계;
    상기 압광 강도에 따른 유효 응력이 결정되는 단계; 및
    상기 소형 인장 시편의 응력 확대 계수가 연산되는 단계;
    를 포함하는 응력 확대 계수 측정 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 소형 인장 시편의 유효 응력별 압광 강도에 대한 데이터가 미리 마련될 수 있으며, 상기 압광 강도에 따른 유효 응력이 결정되는 단계에서, 상기 압광 강도에 따른 유효 응력은 상기 데이터로부터 획득될 수 있는 응력 확대 계수 측정 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 소형 인장 시편의 응력 확대 계수가 연산되는 단계에서, 상기 소형 인장 시편의 응력 확대 계수 KID는,
    Figure 112013086959612-pat00012

    에 의해 연산되고,
    이때, σ1, T는 상기 압광 강도에 따른 유효 응력, θ는 자연 균 균열이 도입된 방향으로부터 반시계 방향으로의 각도, 및 r은 균열 첨단으로부터의 거리를 나타내는 응력 확대 계수 측정 방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 소형 인장 시편에 대하여 인장 시험이 수행되기 전에, 상기 소형 인장 시편이 350 내지 380nm 사이의 고밀도 자외선에 의해 처리되는 단계를 더 포함하는 응력 확대 계수 측정 방법.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 소형 인장 시편은 중량비 60 내지 80%의 아크릴 레진형 투명 페인트 및 중량비 20 내지 40%의 압광 분말을 혼합한 후 가열 가압 성형에 의해 제작되는 응력 확대 계수 측정 방법.

KR1020130113985A 2013-09-25 2013-09-25 응력 확대 계수 측정 방법 KR101447833B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020130113985A KR101447833B1 (ko) 2013-09-25 2013-09-25 응력 확대 계수 측정 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020130113985A KR101447833B1 (ko) 2013-09-25 2013-09-25 응력 확대 계수 측정 방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR101447833B1 true KR101447833B1 (ko) 2014-10-13

Family

ID=51996730

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020130113985A KR101447833B1 (ko) 2013-09-25 2013-09-25 응력 확대 계수 측정 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101447833B1 (ko)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109478210A (zh) * 2016-06-20 2019-03-15 赛峰飞机发动机公司 用于估计应力强度因子的方法和用于计算相关使用寿命的方法
KR20200045335A (ko) * 2018-10-22 2020-05-04 경북대학교 산학협력단 소성 응력 확대 계수 산출 시스템
KR20210100825A (ko) * 2020-02-07 2021-08-18 경북대학교 산학협력단 미케노발광 및 이중 인공 지능을 이용하여 대상체의 물리값을 산출하는 방법 및 장치
KR20220145102A (ko) 2021-04-21 2022-10-28 연세대학교 산학협력단 가상그리드를 이용한 응력확대계수 측정시스템 및 측정방법
CN116046533A (zh) * 2023-01-10 2023-05-02 中国人民解放军陆军工程大学 基于dic以及应力场重构的裂纹尖端应力强度因子测量方法
KR20230064980A (ko) * 2021-11-04 2023-05-11 경북대학교 산학협력단 대상 구조물의 안정성 평가 방법

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001056272A (ja) 1999-08-17 2001-02-27 Kazuo Tateishi 応力拡大係数の計測方法
JP4568883B2 (ja) 2006-01-20 2010-10-27 独立行政法人産業技術総合研究所 応力・歪みの解析方法及び装置

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001056272A (ja) 1999-08-17 2001-02-27 Kazuo Tateishi 応力拡大係数の計測方法
JP4568883B2 (ja) 2006-01-20 2010-10-27 独立行政法人産業技術総合研究所 応力・歪みの解析方法及び装置

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
논문 2003 *
논문 2007 *

Cited By (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109478210A (zh) * 2016-06-20 2019-03-15 赛峰飞机发动机公司 用于估计应力强度因子的方法和用于计算相关使用寿命的方法
CN109478210B (zh) * 2016-06-20 2023-01-31 赛峰飞机发动机公司 用于估计应力强度因子的方法和用于计算相关使用寿命的方法
KR20200045335A (ko) * 2018-10-22 2020-05-04 경북대학교 산학협력단 소성 응력 확대 계수 산출 시스템
KR102165498B1 (ko) * 2018-10-22 2020-10-14 경북대학교 산학협력단 소성 응력 확대 계수 산출 시스템
KR20210100825A (ko) * 2020-02-07 2021-08-18 경북대학교 산학협력단 미케노발광 및 이중 인공 지능을 이용하여 대상체의 물리값을 산출하는 방법 및 장치
KR102377367B1 (ko) * 2020-02-07 2022-03-22 경북대학교 산학협력단 미케노발광 및 이중 인공 지능을 이용하여 대상체의 물리값을 산출하는 방법 및 장치
KR20220145102A (ko) 2021-04-21 2022-10-28 연세대학교 산학협력단 가상그리드를 이용한 응력확대계수 측정시스템 및 측정방법
KR20230064980A (ko) * 2021-11-04 2023-05-11 경북대학교 산학협력단 대상 구조물의 안정성 평가 방법
WO2023080492A1 (ko) * 2021-11-04 2023-05-11 경북대학교 산학협력단 대상 구조물의 안정성 평가 방법
KR102616034B1 (ko) 2021-11-04 2023-12-19 경북대학교 산학협력단 대상 구조물의 안정성 평가 방법
CN116046533A (zh) * 2023-01-10 2023-05-02 中国人民解放军陆军工程大学 基于dic以及应力场重构的裂纹尖端应力强度因子测量方法
CN116046533B (zh) * 2023-01-10 2023-09-22 中国人民解放军陆军工程大学 基于dic以及应力场重构的裂纹尖端应力强度因子测量方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101447833B1 (ko) 응력 확대 계수 측정 방법
Liu et al. Scalable elasticoluminescent strain sensor for precise dynamic stress imaging and onsite infrastructure diagnosis
Timilsina et al. Mechanoluminescent determination of the mode I stress intensity factor in SrAl2O4: Eu2+, Dy3+
Kim et al. Visualization of fractures in alumina ceramics by mechanoluminescence
DE69920246T2 (de) Lumineszenter reisslack in der dehnungsanalyse
Azad et al. Quantitative full-field strain measurements by SAOED (SrAl2O4: Eu2+, Dy3+) mechanoluminescent materials
Rahimi et al. A predictive mechanoluminescence transduction model for thin-film SrAl2O4: Eu2+, Dy3+ (SAOED) stress sensor
CN109564156A (zh) 用于分析装配玻璃质量的光学装置的校准以及相关方法
CN108548834A (zh) 一种基于sem原位成像系统的应变测量方法
JP2011053157A (ja) ひずみ計測方法、ひずみ計測装置およびプログラム
CN103076347B (zh) 基于原位x射线断层照相的脆性材料力学损伤的测量方法
Kumpova et al. X-ray dynamic observation of the evolution of the fracture process zone in a quasi-brittle specimen
Li et al. Low cost colorimetry for assessment of fire damage in rock
Malesa et al. Application of digital image correlation (DIC) for tracking deformations of paintings on canvas
DE102014202113B4 (de) Infrarot-basierte Metrologie zur Erfassung von Verspannung und Defekten um Siliziumdurchkontaktierungen
CN104655027B (zh) 微小高度的检测方法及系统
CN108717063B (zh) 一种混凝土损伤定量测量方法
US9921158B2 (en) Method and apparatus for determining isotopic properties of a sample mass
Persits et al. Quantitative characterization of ZnS: Mn embedded polyurethane optical emission in three mechanoluminescent regimes
Chen et al. Modeling and validation of mechanoluminescent strain sensing mechanism at quasi-static loading rates
DE102015200648A1 (de) Verfahren zur Bestimmung des Vernetzungsgrads einer Polyethylenverbindung
CN105571752A (zh) 一种光弹性实验中超声波应力定量测量方法
KR20200045335A (ko) 소성 응력 확대 계수 산출 시스템
EP3828534A1 (en) X-ray fluorescence imaging for determining layer thicknesses
CN112229820B (zh) 一种染料池折射率测量方法

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170817

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180822

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190827

Year of fee payment: 6