KR102362577B1 - 탄소복합소재의 동적특성 평가 방법 - Google Patents

탄소복합소재의 동적특성 평가 방법 Download PDF

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Description

온도, 탄소소재의 배열 각도 및 가진 패턴을 고려한 탄소복합소재의 동특성 분석 장치 및 이를 이용한 동특성 분석 방법{APPARATUS FOR ANALYZING DYNAMIC CHARACTERISTICS OF CARBON FIBER REINFORCED MATERIALS CONSIDERING TEMPERATURE, FIBER DIRECTION AND EXTERNAL LOADING PATTERN, AND DYNAMIC CHARACTERISTICS ANALYZING METHOD USING THE SAME}
본 발명은 주파수 응답을 이용한 테스트 대상 재료(Material)의 동특성(Dynamic Characteristics) 분석 장치 및 이를 이용한 동특성 분석 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 내부 구조에 방향성을 갖는 탄소복합소재에 대해 온도, 탄소소재의 배열 각도 및 가진 패턴을 고려하여 동특성을 분석하는 장치 및 이를 이용하여 동특성을 분석하는 방법에 관한 것이다.
복합 재료 소재는 종류가 다른 재료를 결합한 소재로, 단독 재료 소재에서는 얻을 수 없는 특성을 가지는 소재이다. 한 가지 재료로 이루어진 소재와 달리 복합 재료 소재는 미세구조가 일정하지 않을 수 있고, 연속적이지도 않으며 상(phase)이 두 가지 이상인 다상(multiphase)인 경우가 많다. 복합 재료 소재는 크게 입자 강화 재료, 섬유 강화 재료 및 구조 복합 재료 소재로 나뉜다.
복합 재료 소재는 단독 재료 소재에 비하여 물리적 또는 화학적으로 강화된 특성을 가지며, 만들어지는 재료에 따라 가볍고 튼튼한 복합 재료 소재가 만들어 질 수 있다. 예를 들어, 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP, Carbon Fiber Reinforced Plastic)은 가볍고 튼튼하여, 항공우주분야나 자동차 분야와 같이 소재의 경량화가 필요한 분야에 활용이 기대된다.
그러나, 복합 재료 소재의 경우, 소재의 구조(structure)나 재료(material)의 종류에 따라 물리적 특성이 크게 영향을 받는다. 복합 재료 소재를 이용하여 제품을 제조를 하는 경우, 설계자는 최종 제품의 요구 사항(requirement)에 부합하는 물리적 특성을 갖는 복합 재료 소재를 사용하여야 하며, 설계 과정에서 복합 재료 소재의 물리적 특성을 확인하여야 한다.
대한민국 공개특허공보 10-2018-0091873 (2018.08.16), 3쪽 내지 4쪽
본 발명은 내부 구조에 방향성을 갖는 탄소복합소재에 대해 온도, 탄소소재의 배열 각도 및 가진 패턴을 고려하여 해당 탄소복합소재의 동특성을 분석할 수 있는 온도, 탄소소재의 배열 각도 및 가진 패턴을 고려한 탄소복합소재의 동특성 분석 장치 및 이를 이용한 동특성 분석 방법을 제공한다.
본 발명은 내부 구조의 방향성뿐만 아니라 온도 및 외부에서 가해지는 힘의 패턴까지 고려하여 소재의 민감도를 산출하여 제공함으로써, 보다 정확하게 소재의 물리적 특성을 분석할 수 있는 온도, 탄소소재의 배열 각도 및 가진 패턴을 고려한 탄소복합소재의 동특성 분석 장치 및 이를 이용한 동특성 분석 방법을 제공한다.
본 발명은 실제 사용환경에서의 온도까지 고려하여 소재의 물리적 특성을 분석함으로써, 제품 설계자가 실제 사용환경에서의 제품의 성능을 미리 예상해 볼 수 있는 온도, 탄소소재의 배열 각도 및 가진 패턴을 고려한 탄소복합소재의 동특성 분석 장치 및 이를 이용한 동특성 분석 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 온도, 탄소소재의 배열 각도 및 가진 패턴을 고려한 탄소복합소재의 동특성 분석 장치는 제어에 의해 온도를 설정하고, 설정된 온도로 테스트 공간 내의 온도를 유지하는 항온기, 제어에 의해 가진 패턴을 설정하고, 설정된 가진 패턴에 따라 상기 테스트 공간 내에 위치하는 테스트 대상 탄소복합소재에 물리적 힘을 가하는 가진기, 상기 가진기에의해 상기 탄소복합소재에 가해지는 물리적 힘을 측정하는 제1 센서, 상기 탄소복합소재의 일측에 접하며, 상기 물리적 힘에 의해 유발된 상기 탄소복합소재의 진동을 수집하는 제2 센서 및 상기 항온기를 제어하여 상기 시험 공간 내의 온도를 설정하고, 상기 가진기를 제어하여 상기 가진 패턴을 설정하며, 상기 제1 센서에서 측정된 물리적 힘 신호와 상기 제2 센서에서 수집된 진동 신호를 기초로 상기 탄소복합소재의 주파수 응답 함수를 산출하며, 상기 산출된 주파수 응답 함수를 기초로 탄소복합소재에 포함된 탄소소재의 배열 각도, 온도 및 가진 패턴의 변동에 대한 상기 탄소복합소재의 민감도(sensitivity)를 산출하는 민감도 분석기를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 테스트 대상 탄소복합소재는 탄소 섬유(Carbon Fiber)가 특정 각도로 일 방향성을 갖도록 배열되어 형성된 탄소섬유 강화 플라스틱(Carbon Fiber Reinforced Plastic, CFRP)을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 가진기는 적어도 2개 이상의 가진 패턴으로 물리적 힘을 가하되, 상기 가진 패턴은 랜덤(random) 패턴 및 하모닉(harmonic) 패턴을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 센서는 상기 가진기와 상기 탄소복합소재의 사이 위치하여 상기 물리적 힘을 측정하는 로드 센서(load sensor)를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 제1항에 있어서, 상기 제2 센서는 가속도 센서(acceleration sensor)를 포함하되, 상기 탄소복합소재에는 복수의 위치에서 진동을 수집할 수 있도록 복수의 제2 센서가 위치할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 민감도 분석기는 상기 주파수 응답 함수를 산출하되, 상기 주파수 응답 함수의 모달 감쇠 계수(Modal Damping Coefficient)는 온도, 가진 패턴 및 탄소소재의 배열 각도의 영향을 반영하며, 상기 주파수 응답 함수의 공진 주파수(Resonance Frequency)는 온도 및 탄소소재의 배열 각도의 영향을 반영할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 민감도 분석기는 복수의 제2 센서에서 측정된 값의 평균 값과 상기 제1 센서에서 측정된 값을 이용하여 주파수 응답 함수를 산출할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 민감도 분석기는 하기 수학식 1을 이용하여 주파수 응답 함수를 산출할 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112020134078313-pat00001
여기에서, θ는 테스트 대상 탄소복합소재에 포함된 탄소소재의 배열 각도, T는 온도, p는 가진기를 통해 테스트 대상 탄소복합소재에 가해지는 가진 패턴(또는, 주파수 스펙트럼 패턴)
일 실시예에서, 상기 민감도 분석기는 하기 수학식 2를 이용하여 탄소소재의 배열 각도에 대한 민감도 함수를 산출할 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112020134078313-pat00002
일 실시예에서, 상기 민감도 분석기는 하기 수학식 3을 이용하여 탄소소재의 배열 각도에 대한 민감도 인덱스를 산출하고, 하기 수학식 4를 이용하여 탄소소재의 배열 각도에 대한 정규화된 민감도 인덱스(Normalized Sensitivity Index)를 산출할 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112020134078313-pat00003
여기에서, Iθ,I,k는 탄소소재의 배열 각도(θ)에 대해 i번째 모드, k번째 테스트 대상 객체에 대한 민감도 지수
[수학식 4]
Figure 112020134078313-pat00004
여기에서,
Figure 112020134078313-pat00005
는 탄소소재의 배열 각도(θ)에 대한 정규화된 민감도 지수
일 실시예에서, 상기 민감도 분석기는 하기 수학식 5를 이용하여 온도에 대한 민감도 함수를 산출할 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112020134078313-pat00006
일 실시예에서, 상기 민감도 분석기는 하기 수학식 6을 이용하여 온도에 대한 민감도 인덱스를 산출하고, 하기 수학식 7을 이용하여 온도에 대한 정규화된 민감도 인덱스를 산출할 수 있다.
[수학식 6]
Figure 112020134078313-pat00007
여기에서, IT,I,k는 온도(T)에 대해 i번째 모드, k번째 테스트 테스트 대상 객체에 대한 민감도 지수
[수학식 7]
Figure 112020134078313-pat00008
여기에서,
Figure 112020134078313-pat00009
는 온도(T)에 대한 정규화된 민감도 지수
일 실시예에서, 상기 민감도 분석기는 하기 수학식 8를 이용하여 가진 패턴에 대한 민감도 함수를 산출할 수 있다.
[수학식 8]
Figure 112020134078313-pat00010
일 실시예에서, 상기 민감도 분석기는 하기 수학식 9를 이용하여 가진 패턴에 대한 민감도 인덱스를 산출하고, 하기 수학식 10을 이용하여 가진 패턴에 대한 정규화된 민감도 인덱스를 산출할 수 있다.
[수학식 9]
Figure 112020134078313-pat00011
여기에서, Ip,I,k는 가진 패턴(p)에 대해 i번째 모드, k번째 테스트 대상 객체에 대한 민감도 지수
[수학식 10]
Figure 112020134078313-pat00012
여기에서,
Figure 112020134078313-pat00013
는 가진 패턴(p)에 대한 정규화된 민감도 지수
본 발명에 따른 온도, 탄소소재의 배열 각도 및 가진 패턴을 고려한 탄소복합소재의 동특성 분석 방법은 항온기가 제어에 의해 설정된 온도로 테스트 공간 내의 온도를 조절하는 단계, 가진기가 제어에 의해 가진 패턴을 설정하고, 설정된 가진 패턴에 따라 상기 테스트 공간 내에 위치하는 테스트 대상 탄소복합소재에 물리적 힘을 가하는 단계, 제1 센서가 상기 가진기에의해 상기 탄소복합소재에 가해지는 물리적 힘을 측정하는 단계, 제2 센서가 상기 물리적 힘에 의해 유발된 상기 탄소복합소재의 진동을 수집하는 단계 및 민감도 분석기가 상기 제1 센서에서 측정된 물리적 힘 신호와 상기 제2 센서에서 수집된 진동 신호를 기초로 상기 탄소복합소재의 주파수 응답 함수를 산출하고 상기 산출된 주파수 응답 함수를 기초로 탄소복합소재에 포함된 탄소소재의 배열 각도, 온도 및 가진 패턴의 변동에 대한 상기 탄소복합소재의 민감도(sensitivity)를 산출하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 민감도를 산출하는 단계는 상기 주파수 응답 함수를 산출하되, 온도, 가진 패턴 및 탄소소재의 배열 각도의 영향을 반영하여 상기 주파수 응답 함수의 모달 감쇠 계수(Modal Damping Coefficient)를 산출하고, 온도 및 탄소소재의 배열 각도의 영향을 반영하여 상기 주파수 응답 함수의 공명 주파수(Resonance Frequency)를 산출할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 민감도를 산출하는 단계는 하기 수학식 1을 이용하여 주파수 응답 함수를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112020134078313-pat00014
여기에서, θ는 테스트 대상 탄소복합소재에 포함된 탄소소재의 배열 각도, T는 온도, p는 가진기를 통해 테스트 대상 탄소복합소재에 가해지는 가진 패턴(또는, 주파수 스펙트럼 패턴)
일 실시예에서, 상기 민감도를 산출하는 단계는 하기 수학식 2를 이용하여 탄소소재의 배열 각도에 대한 민감도 함수를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112020134078313-pat00015
일 실시예에서, 상기 민감도를 산출하는 단계는 하기 수학식 5를 이용하여 온도에 대한 민감도 함수를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112020134078313-pat00016
일 실시예에서, 상기 민감도를 산출하는 단계는 하기 수학식 8를 이용하여 가진 패턴에 대한 민감도 함수를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
[수학식 8]
Figure 112020134078313-pat00017
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 온도, 탄소소재의 배열 각도 및 가진 패턴을 고려한 탄소복합소재의 동특성 분석 장치 및 이를 이용한 동특성 분석 방법은 할 수 있다.
본 발명에 따른 온도, 탄소소재의 배열 각도 및 가진 패턴을 고려한 탄소복합소재의 동특성 분석 장치 및 이를 이용한 동특성 분석 방법은 내부 구조의 방향성뿐만 아니라 온도 및 외부에서 가해지는 힘의 패턴까지 고려하여 소재의 민감도를 산출하여 제공함으로써, 보다 정확하게 소재의 물리적 특성을 분석할 수 있다.
본 발명에 따른 온도, 탄소소재의 배열 각도 및 가진 패턴을 고려한 탄소복합소재의 동특성 분석 장치 및 이를 이용한 동특성 분석 방법은 실제 사용환경에서의 온도까지 고려하여 소재의 물리적 특성을 분석할 수 있으므로, 해당 소재를 이용하여 제품을 제작하는 제품 설계자가 실제 사용환경에서의 제품의 성능을 미리 예상해 볼 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 온도, 탄소소재의 배열 각도 및 가진 패턴을 고려한 탄소복합소재의 동특성 분석 장치의 구성을 나타내는 구성도
도 2는 복수의 센서를 포함하는 동특성 분석 장치의 구성을 예시적으로 나타낸 구성도
도 3a와 도 3b는 테스트 대상 탄소복합소재를 개략적으로 나타낸 도면
도 4a와 도 4b는 동특성 분석 장치를 실험적으로 구성한 예를 나타내는 도면
도 5a와 도 5b는 탄소섬유의 배열 각도가 0˚인 탄소복합소재의 온도 및 가진 패턴 종류별 주파수 응답 함수를 도식화한 도면
도 6a와 도 6b는 탄소섬유의 배열 각도가 30˚인 탄소복합소재의 온도 및 가진 패턴 종류별 주파수 응답 함수를 도식화한 도면
도 7a와 도 7b는 탄소섬유의 배열 각도가 45˚인 탄소복합소재의 온도 및 가진 패턴 종류별 주파수 응답 함수를 도식화한 도면
도 8a와 도 8b는 탄소섬유의 배열 각도가 60˚인 탄소복합소재의 온도 및 가진 패턴 종류별 주파수 응답 함수를 도식화한 도면
도 9a와 도 9b는 탄소섬유의 배열 각도가 90˚인 탄소복합소재의 온도 및 가진 패턴 종류별 주파수 응답 함수를 도식화한 도면
도 10a와 도 10b는 탄소복합소재의 온도의 변화에 따른 공진주파수(resonance frequency, ωn,1)를 도식화한 도면
도 11a와 도 11b는 탄소복합소재의 온도의 변화에 따른 감쇠 계수(damping coefficient,ζ1)를 도식화한 도면
도 12a와 도 12b는 탄소섬유의 배열 각도의 변화에 따른 공진주파수(resonance frequency, ωn,1)를 도식화한 도면
도 13a와 도 13b는 탄소섬유의 배열 각도의 변화에 따른 감쇠 계수(damping coefficient, ζ1)를 도식화한 도면
도 14는 2개의 가진 패턴에 대해 탄소섬유의 배열 각도에 따른 탄소복합소재의 정규화된 민감도 지수를 도식화한 도면
도 15는 2개의 가진 패턴에 대해 온도에 따른 탄소복합소재의 정규화된 민감도 지수를 도식화한 도면
도 16은 가진 패턴에 따른 탄소복합소재의 정규화된 민감도 지수를 도식화한 도면
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 온도, 탄소소재의 배열 각도 및 가진 패턴을 고려한 탄소복합소재의 동특성 분석 방법을 설명하는 흐름도
이하, 본 발명에 따른 온도, 탄소소재의 배열 각도 및 가진 패턴을 고려한 탄소복합소재의 동특성 분석 장치 및 이를 이용한 동특성 분석 방법을 실시하기 위한 구체적인 내용을 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 온도, 탄소소재의 배열 각도 및 가진 패턴을 고려한 탄소복합소재의 동특성 분석 장치의 구성을 나타내는 구성도이다.
도 1을 참조하면, 온도, 탄소소재의 배열 각도 및 가진 패턴을 고려한 탄소복합소재의 동특성 분석 장치(100)는 제1센서(120), 제2센서(130), 가진기(140), 민감도 분석기(150) 및 항온기(160)를 포함할 수 있다.
동특성 분석 장치(100)는 사용자의 제어에 따라 온도 및 가진 패턴을 설정하고, 설정된 테스트 조건 하에서 테스트 대상 객체(110)의 주파수 응답 함수(Frequency Response Function)를 산출한다. 일 실시예에서, 테스트 대상 객체(110)는 탄소 섬유(Carbon Fiber)가 특정 각도로 일 방향성을 갖도록 배열되어 형성된 탄소섬유 강화 플라스틱(Carbon Fiber Reinforced Plastic, CFRP)일 수 있다.
동특성 분석 장치(100)는 산출된 주파수 응답 함수를 기초로 테스트 대상 객체에 포함된 소재의 배열 각도, 온도 및 가진 패턴의 변동에 대한 테스트 대상 객체(110)의 민감도 지수(Sensitivity Index)를 산출한다. 사용자는 소재의 배열 각도가 다른 테스트 대상 객체들에 대해 온도 및 가진 패턴의 조건을 변경하여 테스트를 수행할 수 있다. 동특성 분석 장치(100)는 각 테스트 조건에서 테스트 대상 객체의 민감도 지수를 산출할 수 있고, 사용자는 산출된 민감도 지수를 통해 다양한 종류의 테스트 대상 객체의 물리적 특성을 비교하고 유추할 수 있다.
테스트 대상 객체(110)는 물리적 특성을 분석하기 위한 대상 객체이다. 테스트 대상 객체(110)는 테스트하려는 소재의 일부 표본(specimen)일 수도 있고 테스트 소재로 구성된 부품일 수도 있다. 일 실시예에서, 테스트 대상 객체(110)는 특정 각도로 일 방향성을 갖도록 배열된 소재를 포함하여 형성된 객체, 예를 들어, 복합 재료 소재일 수 있다.
예를 들어, 테스트 대상 객체(110)는 탄소 섬유(carbon fiber)를 강화소재로 사용하는 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP)에 해당할 수 있다. 탄소섬유 강화 플라스틱의 물리적 특성(mechanical properties)은 이를 구성하는 탄소섬유와 폴리머 레진(polymer resin)의 상태(conditions), 소재 내 탄소섬유의 적층 구조(layered structure) 등에 의해 영향을 받는다. 특히, 강화소재인 탄소섬유의 배열 방향(direction)은 탄소섬유 강화 플라스틱의 물리적 특성을 결정하는 데 큰 역할을 하므로, 탄소섬유 강화 플라스틱은 외부 힘의 주 방향(principle direction)을 고려하여 설계되어야 한다.
이하에서는 설명의 편의를 위해, 탄소복합소재(예를 들어, 탄소섬유 강화 플라스틱 등)의 표본(specimen)을 테스트 대상 객체(110)로 사용하는 경우를 가정하여 설명하기로 한다.
일 실시예에서, 탄소복합소재(110)는 지그(jig)를 통해 테스트 위치에 고정될 수 있다. 탄소복합소재(110)는 자동 이송 장치(미도시)를 통해 테스트 위치에 놓일 수도 있고, 사용자에 의해 수동으로 테스트 위치에 놓일 수도 있다.
제1센서(120)는 탄소복합소재(110)의 일 측에 접하며, 가진기(140)에 의해 탄소복합소재(110)에 가해지는 물리적 힘을 측정한다. 제1센서(120)는 측정된 값을 민감도 분석기(150)로 전송한다. 일 실시예에서, 제1 센서(120)는 가진기(140)와 탄소복합소재(110) 사이 위치하여, 가진기(140)에 의해 탄소복합소재(110)에 가해지는 물리적 힘을 측정할 수 있다. 일 실시예에서, 가진기(140) 위에 제1 센서(120)를 접하여 위치시키고, 제1 센서(120) 위에 탄소복합소재(110)를 접하여 위치시킬 수 있다. 제1 센서(120)는 로드 센서(load sensor)를 포함한다.
제2센서(130)는 탄소복합소재(110)의 타측에 접하며, 물리적 힘에 의해 유발된 탄소복합소재(110)의 진동을 수집한다. 일 실시예에서, 제2 센서는 탄소복합소재(110)의 가속도 변위를 측정하는 가속도 센서(acceleration sensor)를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 제2 센서는 탄소복합소재(110)의 위치 변위를 측정하는 위치 변위 센서(displacement sensor) 또는 속도 변위를 측정하는 속도 센서(velocity sensor)를 포함할 수 있다.
진동 수집 위치에 따라 제2 센서에서 수집되는 측정 값에 미세한 차이가 있을 수 있다. 복수의 센서를 사용하여 복수의 위치에서 측정된 값을 이용하는 경우, 보다 정확한 측정을 할 수 있다. 일 실시예에서, 탄소복합소재(110)의 타 측에 복수의 위치에 복수의 제2 센서(130)를 위치시켜, 각각의 제2 센서(130)에서 진동을 수집할 수 있다.
도 2는 복수의 센서를 포함하는 동특성 분석 장치의 구성을 예시적으로 나타낸 구성도이다.
도 2를 참조하면, 온도, 탄소소재의 배열 각도 및 가진 패턴을 고려한 탄소복합소재의 동특성 분석 장치(200)는 제1센서(120), 제2센서(130), 가진기(140), 민감도 분석기(150), 항온기(160) 및 지그(170)를 포함할 수 있다. 탄소복합소재(110)는 지그(170)를 통해 테스트 위치에 고정될 수 있으며, 탄소복합소재(110)의 일 측에 복수의 제2센서(130a, 130b, 130c, 130d, …)가 위치할 수 있다.
탄소복합소재(110)를 고정하는 지그(170)와 복수의 제2센서(130a, 130b, 130c, 130d, …)를 사용하여 탄소복합소재(110)의 진동을 수집하는 구성 외에 나머지 구성은 도 1과 동일하다. 제2센서의 수와 위치는 구현예에 따라 달라질 수 있다.
복수의 제2센서(130a, 130b, 130c, 130d, …)의 위치는 기 설정된 위치일 수도 있고, 사용자에 의해 정해진 위치일 수도 있다. 복수의 제2센서(130a, 130b, 130c, 130d, …들은 해당 위치에서 탄소복합소재(110)의 진동을 수집하여 민감도 분석기(150)로 전송한다.
도 3a와 도 3b는 테스트 대상 탄소복합소재를 개략적으로 나타낸 도면이다.
탄소복합소재는 탄소섬유가 일 방향성을 갖도록 배열될 수 있으며, 탄소섬유의 방향(배열 각도)에 따라 소재의 물리적 특성(예를 들어, 힘(strength) 등)이 달라질 수 있다.
도 3a를 참조하면, 테스트 대상 탄소복합소재는 길이(L), 넓이(W), 두께(H)를 갖는 형태이며, 일 방향성을 갖도록 배열된 재료의 각도는 길이(L) 방향을 기준으로 θ 각도로 배열된 것으로 가정한다. 예를 들어, 탄소섬유가 탄소복합소재의 길이 방향을 기준으로 θ 각도로 배열된 것으로 가정한다.
도 3b는 도 2의 실시예에서 탄소복합소재가 지그(170)에 클램핑된 영역(Clamped Zone)을 별도로 표시한 도면이다.
다시 도 1을 참조하면, 가진기(140)는 민감도 분석기(150)의 제어에 따라 가진 패턴을 설정하고, 설정된 가진 패턴에 따라 탄소복합소재(110)의 일측에 물리적 힘을 가한다. 일 실시예에서, 가진기(140)는 각각 다른 가진 패턴으로 탄소복합소재(110)에 물리적 힘을 가할 수 있다. 가진기(110)는 일 축 방향으로 힘을 가하는 단축 가진기, 2축 방향으로 힘을 가하는 2축 가진기, 3축 방향으로 힘을 가하는 3축 가진기 등을 포함할 수 있다. 이하에서는, 설명의 편의를 위해 단축 가진기를 가진기(140)로 사용하는 경우를 가정하여 설명하기로 한다. 예를 들어, 가진기(140)는 일 축 방향으로 힘을 가하여 진동시키는 전기 진동기(electrodynamic shaker) 또는 액추에이터(actuator)를 포함할 수 있다.
가진기(140)는 민감도 분석기(150)의 제어에 따라 적어도 2개 이상의 가진 패턴으로 탄소복합소재(110)에 물리적 힘을 가한다. 일 실시예에서, 가진 패턴은 랜덤(random) 패턴 및 하모닉(harmonic) 패턴을 포함한다. 가진기(140)는 기 설정된 주파수 대역의 가진 패턴으로 탄소복합소재(110)에 물리적 힘을 가할 수 있다. 랜덤 패턴은 임의의 복수 주파수 신호를 포함하는 패턴이며, 하모닉 패턴은 기본 주파수(fundamental frequency)의 정현파 신호를 포함하는 패턴을 말한다.
다른 실시예에서, 탄소복합소재(110)에 임팩트를 인가할 수 있는 고정식 임팩트 장치(예를 들어, 임팩트 해머(impact hammer))를 가진기(140)로 사용할 수도 있다. 임팩트 해머의 경우, 실제 가진이 되는 부분(임팩트 부분)에는 팁(tip)이 구비될 수 있다.
이하에서는 설명의 편의를 위해, 전기 진동기(electrodynamic shaker)를 가진기(140)로 사용하는 경우를 가정하여 설명하기로 한다. 전기 진동기는 가진 주파수와 가진 패턴을 정밀하게 제어할 수 있어, 반복된 테스트에서도 신뢰도 높은 결과를 얻을 수 있다.
민감도 분석기(150)는 항온기(160)를 제어하여 테스트 공간 내의 온도를 설정하고, 가진기(140)를 제어하여 가진 패턴을 설정한다. 항온기(160)는 민감도 분석기(150)의 제어에 의해 온도를 설정하고, 설정된 온도로 테스트 공간 내의 온도를 유지할 수 있다.
민감도 분석기(150)는 설정된 온도와 가진 패턴에 따라 제1 센서(120)에서 측정된 물리적 힘 신호와 제2 센서(130)에서 수집된 진동 신호를 주파수 도메인(frequency domain) 신호로 변환하여 탄소복합소재(110)의 주파수 응답 함수(Frequency Response Function)를 산출한다. 민감도 분석기(150)는 주파수 응답 함수를 기초로 탄소복합소재(110)의 탄소복합소재에 포함된 탄소소재의 배열 각도(θ), 온도 및 가진 패턴의 변동에 대한 탄소복합소재의 민감도(sensitivity)를 산출한다. 탄소복합소재(110)를 선형 시스템(Linear system)으로 가정할 때, 주파수 응답 함수를 이용한 분석 방법은 탄소복합소재의 물리적 특성을 분석하는 데 효율적인 방법 가운데 하나이다.
이하에서는 민감도 분석기(150)가 탄소소재의 배열 각도(θ), 온도 및 가진 패턴의 변동에 따른 주파수 응답 함수를 산출하고 민감도를 산출하는 과정을 자세히 설명하기로 한다.
탄소복합소재(110)에 가해진 물리적 힘을 F(ω)라고 하고, 물리적 힘에 의해 유발된 탄소복합소재(110)의 진동을 R(ω)라고 할 경우, i번째 모드의 주파수 응답 함수(Frequency Response Function)는 하기 수학식 1로 표시될 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112020134078313-pat00018
여기에서, F(ω)는 외부 물리적 힘 신호의 주파수 변환 값, R(ω)는 물리적 힘에 의해 유발된 진동 신호의 주파수 변환 값, ω는 각주파수(2πf, f는 주파수), Ri e는 잉여값(Residual), Mi는 테스트 대상 객체의 질량(Mass), Ci는 감쇠계수(Damping Coefficient), Ki는 강성계수(Stiffness Coefficient)를 나타낸다.
i번째 모드에서의 공진 주파수(Resonance Frequency)를 ωn,i(
Figure 112020134078313-pat00019
)이라 하고, 공진 주파수에서의 파워 대비 파워가 1/2가 되는 지점의 주파수를 ωn,i(1)과 ωn,i(2)이라고 할 때, 감쇠계수(Damping Coefficient)는 하기 수학식 2로 표시될 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112020134078313-pat00020
여기에서, ξi는 i번째 모드에서의 감쇠계수를 나타낸다.
공진 주파수와 감쇠계수를 이용하여 주파수 응답 함수를 나타내는 경우, 수학식 1의 주파수 응답 함수는 하기 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112020134078313-pat00021
여기에서, H(ω)는 주파수 응답 함수, ri e는 잉여값(Residual)을 나타낸다.
공진 주파수(ωn,i)와 감쇠계수(ξi)는 탄소소재의 배열 각도(θ)와 온도의 영향을 받으며, 감쇠계수(ξi)는 탄소소재의 배열 각도(θ)와 가진 패턴의 영향을 받는 것으로 실험적으로 검증되었다.
따라서, 온도, 가진 패턴 및 탄소소재의 배열 각도(θ)를 반영한 주파수 응답 함수는 하기 수학식 4와 같이 나타낼 수 있으며, 민감도 분석기(150)는 하기 수학식 4를 이용하여, 온도(T), 가진 패턴(p) 및 탄소소재의 배열 각도(θ)를 반영한 주파수 응답 함수를 산출할 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112020134078313-pat00022
여기에서, θ는 테스트 대상 탄소복합소재에 포함된 탄소소재의 배열 각도, T는 온도, p는 가진기를 통해 테스트 대상 탄소복합소재에 가해지는 가진 패턴(또는, 주파수 스펙트럼 패턴)을 나타낸다.
일 실시예에서, 복수의 제2 센서를 통해 테스트 대상 탄소복합소재의 진동을 수집한 경우, 민감도 분석기(150)는 복수의 제2 센서에서 측정된 값의 평균 값과 제1 센서에서 측정된 값을 이용하여 테스트 대상 탄소복합소재의 대표 주파수 응답 함수를 산출할 수 있다.
다른 실시예에서, 민감도 분석기(150)는 복수의 제2 센서에서 측정된 값과 제1 센서에서 측정된 값을 이용하여 각 제2 센서에서 측정된 값에 대응되는 복수의 주파수 응답 함수를 산출하고, 복수의 주파수 응답 함수의 평균값을 테스트 대상 탄소복합소재의 대표 주파수 응답 함수로 산출할 수도 있다.
민감도 분석기(150)는 수학식 4를 이용하여 탄소소재의 배열 각도(θ)에 대한 민감도 함수(Sensitivity Analysis Formulation)를 산출한다. 민감도 함수는 테스트 대상 객체의 물리적 특성인 동특성(Dynamic Characteristics)과 관련되어 있다. 탄소소재의 배열 각도에 대한 민감도 함수는 하기 수학식 5와 같이 배열 각도(θ)를 변수로하여 주파수 응답 함수를 편미분하여 얻어질 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112020134078313-pat00023
민감도 분석기(150)는 수학식 4를 이용하여 탄소소재의 온도(T)에 대한 민감도 함수를 산출한다. 탄소소재의 배열 각도에 대한 민감도 함수는 하기 수학식 6과 같이 온도(T)를 변수로하여 주파수 응답 함수를 편미분하여 얻어질 수 있다.
[수학식 6]
Figure 112020134078313-pat00024
민감도 분석기(150)는 수학식 4를 이용하여 탄소소재의 가진 패턴(p)에 대한 민감도 함수를 산출한다. 탄소소재의 배열 각도에 대한 민감도 함수는 하기 수학식 7과 같이 가진 패턴(p)를 변수로하여 주파수 응답 함수를 편미분하여 얻어질 수 있다.
[수학식 7]
Figure 112020134078313-pat00025
민감도 분석기(150)는 수학식 5 내지 수학식 7을 이용하여 탄소소재의 배열 각도(θ), 온도(T) 및 가진 패턴(p)에 대한 탄소복합소재(110)의 민감도 지수(Sensitivity Index)를 산출할 수 있다.
일 실시예에서, 민감도 분석기(150)는 하기 수학식 8을 이용하여 탄소소재의 배열 각도(θ)에 대한 민감도 지수를 산출할 수 있다.
[수학식 8]
Figure 112020134078313-pat00026
여기에서, Iθ,I,k는 탄소소재의 배열 각도(θ)에 대해 i번째 모드, k번째 테스트 대상 객체에 대한 민감도 지수를 나타낸다.
일 실시예에서, 민감도 분석기(150)는 하기 수학식 9를 이용하여 온도(T)에 대한 민감도 지수를 산출할 수 있다.
[수학식 9]
Figure 112020134078313-pat00027
여기에서, IT,I,k는 온도(T)에 대해 i번째 모드, k번째 테스트 테스트 대상 객체에 대한 민감도 지수를 나타낸다.
일 실시예에서, 민감도 분석기(150)는 하기 수학식 10을 이용하여 가진 패턴(p)에 대한 민감도 지수를 산출할 수 있다.
[수학식 10]
Figure 112020134078313-pat00028
여기에서, Ip,I,k는 가진 패턴(p)에 대해 i번째 모드, k번째 테스트 대상 객체에 대한 민감도 지수를 나타낸다.
민감도 분석기(150)는 수학식 8 내지 10을 통해 산출된 각 테스트 케이스에 대한 민감도 지수를 정규화하여 정규화된 민감도 지수(Normalized Sensitivity Index)를 산출할 수 있다. 민감도 분석기(150)는 복수의 테스트 대상 객체에 대해 각각 온도(T)에 따른 민감도 지수, 가진 패턴(또는, 주파수 스펙트럼 패턴, p)에 따른 민감도 지수 및 배열 각도(θ)에 따른 민감도 지수를 산출하고, 각 테스트 대상 객체에서 산출된 각 민감도 지수를 기초로 정규화된 민감도 지수를 산출할 수 있다.
일 실시예에서, 민감도 분석기(150)는 하기 수학식 11을 이용하여 탄소소재의 배열 각도(θ)에 대한 정규화된 민감도 지수를 산출할 수 있다.
[수학식 11]
Figure 112020134078313-pat00029
여기에서,
Figure 112020134078313-pat00030
는 탄소소재의 배열 각도(θ)에 대한 정규화된 민감도 지수를 나타낸다.
일 실시예에서, 민감도 분석기(150)는 하기 수학식 12를 이용하여 온도(T)에 대한 정규화된 민감도 지수를 산출할 수 있다.
[수학식 12]
Figure 112020134078313-pat00031
여기에서,
Figure 112020134078313-pat00032
는 온도(T)에 대한 정규화된 민감도 지수를 나타낸다.
일 실시예에서, 민감도 분석기(150)는 하기 수학식 13을 이용하여 가진 패턴(p)에 대한 정규화된 민감도 지수를 산출할 수 있다.
[수학식 13]
Figure 112020134078313-pat00033
여기에서,
Figure 112020134078313-pat00034
는 가진 패턴(p)에 대한 정규화된 민감도 지수를 나타낸다.
이하에서는, 상기에서 설명한 온도, 탄소소재의 배열 각도 및 가진 패턴을 고려한 탄소복합소재의 동특성 분석 장치를 실험적으로 구현하고 실험한 결과를 설명하기로 한다.
도 4a와 도 4b는 온도, 탄소소재의 배열 각도 및 가진 패턴을 고려한 탄소복합소재의 동특성 분석 장치를 실험적으로 구성한 예를 나타내는 도면이다.
도 4a는 제1 센서(120)(#1)로 로드 센서(load sensor)를 사용하여 실험적으로 구성한 예이고, 도 4b는 시험객체의 타측에 복수의 제2 센서(130)(#2, #3, #4, …, #7)를 배치하여 실험적으로 구성한 예이다. 센서의 개수와 위치는 구현 예에 따라 달라질 수 있다.
하기 표 1과 표 2는 가진기(140)를 통해 탄소복합소재(110)에 가한 물리적 힘의 패턴, 즉 가진 패턴을 나타낸다. 가진기(140)는 표 1과 같은 랜덤(random) 패턴과 하모닉(harmonic) 패턴을 탄소복합소재(110)에 가할 수 있다.
[표 1]
Figure 112020134078313-pat00035
[표 2]
Figure 112020134078313-pat00036
테스터에서는 랜덤 가진 패턴으로 10Hz 주파수 대역의 랜덤 패턴과 500Hz 주파수 대역의 랜덤 패턴이 사용되었으며, 하모닉 가진 패턴으로 10Hz 주파수 대역의 랜덤 패턴과 500Hz 주파수 대역의 랜덤 패턴이 사용되었다.
하기 표 3은 테스트에서 항온기(160)를 통해 설정된 테스트 온도를 나타낸다.
[표 3]
Figure 112020134078313-pat00037
테스트는 5종류의 탄소소재 배열 각도(θ1 = 0˚, θ2 = 30˚, θ3 = 45˚, θ4 = 60˚, θ5 = 90˚), 2종류의 가진 패턴(p1 = harmonic, p2 = random) 및 5종류의 테스트 온도(T1 = -8˚C, T2 = +20˚C, T3 = +50˚C, T4 = +80˚C, T5 = +105˚C)에 대해 수행되었다. 이하에서는 해당 테스트 조건하에서 민감도 분석기(150)를 통해 산출된 주파수 응답 함수와 정규화된 민감도 지수를 설명하기로 한다. 민감도 분석기(150)는 수학식 4를 이용하여, 온도(T) 가진 패턴(p) 및 탄소소재의 배열 각도(θ)를 반영한 탄소복합소재의 주파수 응답 함수를 산출할 수 있다.
도 5a와 도 5b는 탄소섬유의 배열 각도가 0˚인 탄소복합소재의 온도 및 가진 패턴 종류별 주파수 응답 함수를 도식화한 도면이다.
도 5a는 탄소섬유의 배열 각도가 0˚인 탄소복합소재에 하모닉 패턴을 가진하는 경우, 테스트 온도의 변화에 따라 온도별로 산출된 주파수 응답 함수를 도식화한 도면이다. 도 5b는 탄소섬유의 배열 각도가 0˚인 탄소복합소재에 랜덤 패턴을 가진하는 경우, 테스트 온도의 변화에 따라 온도별로 산출된 주파수 응답 함수를 도식화한 도면이다.
도 6a와 도 6b는 탄소섬유의 배열 각도가 30˚인 탄소복합소재의 온도 및 가진 패턴 종류별 주파수 응답 함수를 도식화한 도면이다.
도 6a는 탄소섬유의 배열 각도가 30˚인 탄소복합소재에 하모닉 패턴을 가진하는 경우, 테스트 온도의 변화에 따라 온도별로 산출된 주파수 응답 함수를 도식화한 도면이고, 도 6b는 탄소섬유의 배열 각도가 30˚인 탄소복합소재에 랜덤 패턴을 가진하는 경우, 테스트 온도의 변화에 따라 온도별로 산출된 주파수 응답 함수를 도식화한 도면이다.
도 7a와 도 7b는 탄소섬유의 배열 각도가 45˚인 탄소복합소재의 온도 및 가진 패턴 종류별 주파수 응답 함수를 도식화한 도면이다.
도 7a는 탄소섬유의 배열 각도가 45˚인 탄소복합소재에 하모닉 패턴을 가진하는 경우, 테스트 온도의 변화에 따라 온도별로 산출된 주파수 응답 함수를 도식화한 도면이고, 도 7b는 탄소섬유의 배열 각도가 45˚인 탄소복합소재에 랜덤 패턴을 가진하는 경우, 테스트 온도의 변화에 따라 온도별로 산출된 주파수 응답 함수를 도식화한 도면이다.
도 8a와 도 8b는 탄소섬유의 배열 각도가 60˚인 탄소복합소재의 온도 및 가진 패턴 종류별 주파수 응답 함수를 도식화한 도면이다.
도 8a는 탄소섬유의 배열 각도가 60˚인 탄소복합소재에 하모닉 패턴을 가진하는 경우, 테스트 온도의 변화에 따라 온도별로 산출된 주파수 응답 함수를 도식화한 도면이고, 도 8b는 탄소섬유의 배열 각도가 60˚인 탄소복합소재에 랜덤 패턴을 가진하는 경우, 테스트 온도의 변화에 따라 온도별로 산출된 주파수 응답 함수를 도식화한 도면이다.
도 9a와 도 9b는 탄소섬유의 배열 각도가 90˚인 탄소복합소재의 온도 및 가진 패턴 종류별 주파수 응답 함수를 도식화한 도면이다.
도 9a는 탄소섬유의 배열 각도가 90˚인 탄소복합소재에 하모닉 패턴을 가진하는 경우, 테스트 온도의 변화에 따라 온도별로 산출된 주파수 응답 함수를 도식화한 도면이고, 도 9b는 탄소섬유의 배열 각도가 90˚인 탄소복합소재에 랜덤 패턴을 가진하는 경우, 테스트 온도의 변화에 따라 온도별로 산출된 주파수 응답 함수를 도식화한 도면이다.
하기 표 4는 각기 다른 테스트 조건 하에서 산출된 주파수 응답 함수를 기초로 도출된 테스트 대상 탄소복합소재의 공진 주파수(ωn,i)를 나타내는 표이고, 표 5는 테스트 대상 탄소복합소재의 감쇠계수(ξi)를 나타내는 표이다.
[표 4]
Figure 112020134078313-pat00038
[표 5]
Figure 112020134078313-pat00039
도 10a와 도 10b는 탄소복합소재의 온도의 변화에 따른 공진주파수(resonance frequency, ωn,1)를 도식화한 도면이다.
도 10a는 탄소복합소재에 하모닉 패턴을 가진하는 경우, 테스트 온도의 변화에 따른 탄소복합소재의 공진주파수(ω를 탄소섬유의 배열 각도별로 도식화한 도면이고, 도 10b는 탄소복합소재에 랜덤 패턴을 가진하는 경우, 테스트 온도의 변화에 따른 탄소복합소재의 공진주파수를 탄소섬유의 배열 각도별로 도식화한 도면이다.
도 11a와 도 11b는 탄소복합소재의 온도의 변화에 따른 감쇠 계수(damping coefficient, ζ1)를 도식화한 도면이다.
도 11a는 탄소복합소재에 하모닉 패턴을 가진하는 경우, 테스트 온도의 변화에 따른 탄소복합소재의 감쇠 계수(ζ1)를 탄소섬유의 배열 각도별로 도식화한 도면이고, 도 11b는 탄소복합소재에 랜덤 패턴을 가진하는 경우, 테스트 온도의 변화에 따른 탄소복합소재의 감쇠 계수를 탄소섬유의 배열 각도별로 도식화한 도면이다.
도 12a와 도 12b는 탄소섬유의 배열 각도의 변화에 따른 공진주파수(resonance frequency, ωn,1)를 도식화한 도면이다.
도 12a는 탄소복합소재에 하모닉 패턴을 가진하는 경우, 탄소섬유의 배열 각도의 변화에 따른 탄소복합소재의 공진주파수 공진주파수(ω를 테스트 온도별로 도식화한 도면이고, 도 12b는 탄소복합소재에 랜덤 패턴을 가진하는 경우, 탄소섬유의 배열 각도의 변화에 따른 탄소복합소재의 공진주파수를 테스트 온도별로 도식화한 도면이다.
도 13a와 도 13b는 탄소섬유의 배열 각도의 변화에 따른 감쇠 계수(damping coefficient, ζ1)를 도식화한 도면이다.
도 13a는 탄소복합소재에 하모닉 패턴을 가진하는 경우, 탄소섬유의 배열 각도의 변화에 따른 탄소복합소재의 감쇠 계수(ζ1)를 테스트 온도별로 도식화한 도면이고, 도 13b는 탄소복합소재에 랜덤 패턴을 가진하는 경우, 탄소섬유의 배열 각도의 변화에 따른 탄소복합소재의 감쇠 계수를 테스트 온도별로 도식화한 도면이다.
민감도 분석기(150)는 커브 피팅 함수(Curve-Fitted Function)을 이용하여 공진주파수 곡선과 감쇠 계수 곡선에 대한 다항식(Polynomial)을 산출할 수 있다. 하기 표 6은 특정 파라미터를 기준으로 도 10과 도 12의 각 공진주파수 곡선에 대한 커브 피팅 다항식을 산출한 결과이고, 하기 표 7은 특정 파라미터를 기준으로 도 11과 도 13의 각 감쇠 계수 곡선에 대한 커브 피팅 다항식을 산출한 결과이다.
[표 6]
Figure 112020134078313-pat00040
[표 7]
Figure 112020134078313-pat00041
민감도 분석기(150)는 수학식 5 내지 수학식 7을 이용하여 복수의 테스트 대상 객체에 대해 온도(T), 가진 패턴(또는, 주파수 스펙트럼 패턴, p) 및 탄소섬유의 배열 각도(θ)에 따른 민감도 함수를 산출하고, 수학식 8 내지 수학식 10을 이용하여 복수의 테스트 대상 객체에 대해 온도(T), 가진 패턴(p) 및 탄소섬유의 배열 각도(θ)에 따른 민감도 지수를 산출한다. 민감도 분석기(150)는 복수의 테스트 대상 객체에서 산출된 각 민감도 지수를 기초로 정규화된 민감도 지수를 산출할 수 있다.
일 실시예에서, 민감도 분석기(150)는 정규화된 민감도 지수 값을 비교하여 테스트 대상 객체의 물리적 특성 분석 결과를 출력할 수도 있다. 예를 들어, 민감도 분석기(150)는 정규화된 민감도 지수 값을 비교하여 테스트 조건에서 물리적으로 안정성이 높은 테스트 대상 객체를 선정하여 결과로 출력할 수 있다.
도 14는 2개의 가진 패턴에 대해 탄소섬유의 배열 각도에 따른 탄소복합소재의 정규화된 민감도 지수를 도식화한 도면으로, 배열 각도가 다른 5 종류의 탄소복합소재(θ1 = 0˚, θ2 = 30˚, θ3 = 45˚, θ4 = 60˚, θ5 = 90˚)에 대해 정규화된 민감도 지수를 산출한 결과를 도식화한 도면이다.
도 15는 2개의 가진 패턴에 대해 온도에 따른 탄소복합소재의 정규화된 민감도 지수를 도식화한 도면이고, 도 16은 가진 패턴에 따른 탄소복합소재의 정규화된 민감도 지수를 도식화한 도면이다.
도 14를 참조하면, 첫번째 탄소복합소재(#1)가 테스트 온도에서 2 종류의 가진 패턴에 대해 가장 낮은 민감도 지수 값을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 민감도 분석기(150)는 첫번째 탄소복합소재(#1)가 해당 테스트 온도에서 해당 테스트 가진 패턴에 대해 가장 견고한(robust) 물리적 특성을 갖는 것으로 분석하여 화면에 출력할 수 있다. 도 14를 참조하면, 2번째 탄소복합소재(#2)와 4번째가 탄소복합소재(#4)가 해당 테스트 온도에서 2 종류의 가진 패턴에 대해 다른 탄소복합소재보다 높은 민감도 지수 값을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 민감도 분석기(150)는 2번째 탄소복합소재(#2)와 4번째가 탄소복합소재(#4)가 해당 테스트 온도에서 해당 테스트 가진 패턴에 대해 다른 탄소복합소재보다 취약한(Fragile) 물리적 특성을 갖는 것으로 분석하여 화면에 출력할 수 있다.
도 15를 참조하면, 테스트 대상 탄소복합소재의 온도에 대한 민감도 지수 값이 -8˚C에서 가장 높고, 105˚C에서 가장 낮은 것을 확인할 수 있다. 민감도 분석기(150)는 해당 테스트 대상 탄소복합소재가 물리적으로 -8˚C에서 가장 취약하고, 105˚C에서 가장 견고한 것으로 분석하여 화면에 출력할 수 있다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 온도, 탄소소재의 배열 각도 및 가진 패턴을 고려한 탄소복합소재의 동특성 분석 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 17을 참조하면, 온도, 탄소소재의 배열 각도 및 가진 패턴을 고려한 탄소복합소재의 동특성 분석 방법은 항온기(160)가 제어에 의해 설정된 온도로 테스트 공간 내의 온도를 조절한다(단계 S1710). 가진기(140)가 제어에 의해 가진 패턴을 설정하고, 설정된 가진 패턴에 따라 테스트 공간 내에 위치하는 테스트 대상 탄소복합소재에 물리적 힘을 가하면(단계 S1720), 제1 센서(120)는 가진기(140)에 의해 탄소복합소재(110)에 가해지는 물리적 힘을 측정하고(단계 S1730), 제2 센서(130)는 물리적 힘에 의해 유발된 탄소복합소재(110)의 진동을 수집한다(단계 S1740).
일 실시예에서, 가진기(140)는 적어도 2개 이상의 가진 패턴으로 물리적 힘을 가하되, 가진 패턴은 랜덤(random) 패턴 및 하모닉(harmonic) 패턴을 포함할 수 있다.
민감도 분석기(150)는 제1 센서(120)에서 측정된 물리적 힘 신호와 제2 센서(130)에서 수집된 진동 신호를 기초로 탄소복합소재의 주파수 응답 함수를 산출하고, 산출된 주파수 응답 함수를 기초로 탄소복합소재에 포함된 탄소소재의 배열 각도(θ), 온도(T) 및 가진 패턴(또는, 주파수 스펙트럼 패턴, p)의 변동에 대한 탄소복합소재의 민감도를 산출한다(단계 S1750).
일 실시예에서, 민감도 분석기(150)는 수학식 4를 이용하여, 온도(T), 가진 패턴(p) 및 탄소소재의 배열 각도(θ)를 반영한 주파수 응답 함수를 산출할 수 있다.
일 실시예에서, 민감도 분석기(150)는 수학식 5 내지 수학식 7을 이용하여 복수의 테스트 대상 객체에 대해 온도(T), 가진 패턴(p) 및 탄소섬유의 배열 각도(θ)에 따른 민감도 함수를 산출하고, 수학식 8 내지 수학식 10을 이용하여 복수의 테스트 대상 객체에 대해 온도(T), 가진 패턴(p) 및 탄소섬유의 배열 각도(θ)에 따른 민감도 지수를 산출할 수 있다. 민감도 분석기(150)는 복수의 테스트 대상 객체에서 산출된 각 민감도 지수를 기초로 정규화된 민감도 지수를 산출하고, 정규화된 민감도 지수 값을 비교하여 테스트 대상 객체의 물리적 특성 분석 결과를 출력할 수 있다.
도 1 내지 도 17을 통해 설명된 온도, 탄소소재의 배열 각도 및 가진 패턴을 고려한 탄소복합소재의 동특성 분석 장치 및 이를 이용한 동특성 분석 방법은 컴퓨터에 의해 실행되는 애플리케이션이나 모듈과 같은 컴퓨터에 의해 실행 가능한 명령어를 포함하는 기록 매체의 형태로도 구현될 수도 있다.
컴퓨터 판독 가능 매체는 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 가용 매체일 수 있고, 휘발성 및 비휘발성 매체, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 또한, 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터 저장 매체 및 통신 매체를 모두 포함할 수 있다. 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 모듈 또는 기타 데이터와 같은 정보의 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현된 휘발성 및 비휘발성, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 통신 매체는 전형적으로 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈, 또는 반송파와 같은 변조된 데이터 신호의 기타 데이터, 또는 기타 전송 메커니즘을 포함하며, 임의의 정보 전달 매체를 포함한다.
모듈(module)이라 함은 명세서에서 설명되는 각각의 명칭에 따른 기능과 동작을 수행할 수 있는 하드웨어를 의미할 수도 있고, 또한 특정한 기능과 동작을 수행할 수 있는 컴퓨터 프로그램 코드를 의미할 수도 있고, 또한 특정한 기능과 동작을 수행시킬 수 있는 컴퓨터 프로그램 코드가 탑재된 전자적 기록 매체, 예컨대 프로세서를 의미할 수 있다.
이상 본 발명의 실시예로 설명하였으나 본 발명의 기술적 사상이 상기 실시예로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주에서 다양한 온도, 탄소소재의 배열 각도 및 가진 패턴을 고려한 탄소복합소재의 동특성 분석 장치 및 이를 이용한 동특성 분석 방법으로 구현할 수 있다.
100 : 온도, 탄소소재의 배열 각도 및 가진 패턴을 고려한 탄소복합소재의 동특성 분석 장치
110 : 테스트 대상 객체
120 : 제1센서
130 : 제2센서
140 : 가진기
150 : 민감도 분석기
160 : 항온기
170 : 지그

Claims (20)

  1. 제어에 의해 온도를 설정하고, 설정된 온도로 테스트 공간 내의 온도를 유지하는 항온기;
    제어에 의해 가진 패턴을 설정하고, 설정된 가진 패턴에 따라 상기 테스트 공간 내에 위치하는 테스트 대상 탄소복합소재에 물리적 힘을 가하는 가진기;
    상기 가진기에의해 상기 탄소복합소재에 가해지는 물리적 힘을 측정하는 제1 센서;
    상기 탄소복합소재의 일측에 접하며, 상기 물리적 힘에 의해 유발된 상기 탄소복합소재의 진동을 수집하는 제2 센서; 및
    상기 항온기를 제어하여 상기 시험 공간 내의 온도를 설정하고, 상기 가진기를 제어하여 상기 가진 패턴을 설정하며, 상기 제1 센서에서 측정된 물리적 힘 신호와 상기 제2 센서에서 수집된 진동 신호를 기초로 상기 탄소복합소재의 주파수 응답 함수를 산출하며,
    상기 산출된 주파수 응답 함수를 기초로 탄소복합소재에 포함된 탄소소재의 배열 각도, 온도 및 가진 패턴의 변동에 대한 상기 탄소복합소재의 민감도(sensitivity)를 산출하는 민감도 분석기를 포함하는 온도, 탄소소재의 배열 각도 및 가진 패턴을 고려한 탄소복합소재의 동특성 분석 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 테스트 대상 탄소복합소재는
    탄소 섬유(Carbon Fiber)가 특정 각도로 일 방향성을 갖도록 배열되어 형성된 탄소섬유 강화 플라스틱(Carbon Fiber Reinforced Plastic, CFRP)인 온도, 탄소소재의 배열 각도 및 가진 패턴을 고려한 탄소복합소재의 동특성 분석 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 가진기는
    적어도 2개 이상의 가진 패턴으로 물리적 힘을 가하되, 상기 가진 패턴은 랜덤(random) 패턴 및 하모닉(harmonic) 패턴을 포함하는 온도, 탄소소재의 배열 각도 및 가진 패턴을 고려한 탄소복합소재의 동특성 분석 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 센서는
    상기 가진기와 상기 탄소복합소재의 사이 위치하여 상기 물리적 힘을 측정하는 로드 센서(load sensor)를 포함하는 온도, 탄소소재의 배열 각도 및 가진 패턴을 고려한 탄소복합소재의 동특성 분석 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제2 센서는
    가속도 센서(acceleration sensor)를 포함하되, 상기 탄소복합소재에는 복수의 위치에서 진동을 수집할 수 있도록 복수의 제2 센서가 위치하는 온도, 탄소소재의 배열 각도 및 가진 패턴을 고려한 탄소복합소재의 동특성 분석 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 민감도 분석기는
    상기 주파수 응답 함수를 산출하되, 상기 주파수 응답 함수의 모달 감쇠 계수(Modal Damping Coefficient)는 온도, 가진 패턴 및 탄소소재의 배열 각도의 영향을 반영하며, 상기 주파수 응답 함수의 공진 주파수(Resonance Frequency)는 온도 및 탄소소재의 배열 각도의 영향을 반영하는 온도, 탄소소재의 배열 각도 및 가진 패턴을 고려한 탄소복합소재의 동특성 분석 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 민감도 분석기는
    복수의 제2 센서에서 측정된 값의 평균 값과 상기 제1 센서에서 측정된 값을 이용하여 주파수 응답 함수를 산출하는 온도, 탄소소재의 배열 각도 및 가진 패턴을 고려한 탄소복합소재의 동특성 분석 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 민감도 분석기는
    하기 수학식 1을 이용하여 주파수 응답 함수를 산출하는 온도, 탄소소재의 배열 각도 및 가진 패턴을 고려한 탄소복합소재의 동특성 분석 장치.
    [수학식 1]
    Figure 112020134078313-pat00042

    여기에서, θ는 테스트 대상 탄소복합소재에 포함된 탄소소재의 배열 각도, T는 온도, p는 가진기를 통해 테스트 대상 탄소복합소재에 가해지는 가진 패턴(또는, 주파수 스펙트럼 패턴)
  9. 제8항에 있어서, 상기 민감도 분석기는
    하기 수학식 2를 이용하여 탄소소재의 배열 각도에 대한 민감도 함수를 산출하는 온도, 탄소소재의 배열 각도 및 가진 패턴을 고려한 탄소복합소재의 동특성 분석 장치.
    [수학식 2]
    Figure 112020134078313-pat00043

  10. 제9항에 있어서, 상기 민감도 분석기는
    하기 수학식 3을 이용하여 탄소소재의 배열 각도에 대한 민감도 인덱스를 산출하고, 하기 수학식 4를 이용하여 탄소소재의 배열 각도에 대한 정규화된 민감도 인덱스(Normalized Sensitivity Index)를 산출하는 온도, 탄소소재의 배열 각도 및 가진 패턴을 고려한 탄소복합소재의 동특성 분석 장치.
    [수학식 3]
    Figure 112020134078313-pat00044

    여기에서, Iθ,I,k는 탄소소재의 배열 각도(θ)에 대해 i번째 모드, k번째 테스트 대상 객체에 대한 민감도 지수
    [수학식 4]
    Figure 112020134078313-pat00045

    여기에서,
    Figure 112020134078313-pat00046
    는 탄소소재의 배열 각도(θ)에 대한 정규화된 민감도 지수
  11. 제8항에 있어서, 상기 민감도 분석기는
    하기 수학식 5를 이용하여 온도에 대한 민감도 함수를 산출하는 온도, 탄소소재의 배열 각도 및 가진 패턴을 고려한 탄소복합소재의 동특성 분석 장치.
    [수학식 5]
    Figure 112020134078313-pat00047

  12. 제11항에 있어서, 상기 민감도 분석기는
    하기 수학식 6을 이용하여 온도에 대한 민감도 인덱스를 산출하고, 하기 수학식 7을 이용하여 온도에 대한 정규화된 민감도 인덱스를 산출하는 온도, 탄소소재의 배열 각도 및 가진 패턴을 고려한 탄소복합소재의 동특성 분석 장치.
    [수학식 6]
    Figure 112020134078313-pat00048

    여기에서, IT,I,k는 온도(T)에 대해 i번째 모드, k번째 테스트 테스트 대상 객체에 대한 민감도 지수
    [수학식 7]
    Figure 112020134078313-pat00049

    여기에서,
    Figure 112020134078313-pat00050
    는 온도(T)에 대한 정규화된 민감도 지수
  13. 제8항에 있어서, 상기 민감도 분석기는
    하기 수학식 8를 이용하여 가진 패턴에 대한 민감도 함수를 산출하는 온도, 탄소소재의 배열 각도 및 가진 패턴을 고려한 탄소복합소재의 동특성 분석 장치.
    [수학식 8]
    Figure 112020134078313-pat00051

  14. 제13항에 있어서, 상기 민감도 분석기는
    하기 수학식 9를 이용하여 가진 패턴에 대한 민감도 인덱스를 산출하고, 하기 수학식 10을 이용하여 가진 패턴에 대한 정규화된 민감도 인덱스를 산출하는 온도, 탄소소재의 배열 각도 및 가진 패턴을 고려한 탄소복합소재의 동특성 분석 장치.
    [수학식 9]
    Figure 112020134078313-pat00052

    여기에서, Ip,I,k는 가진 패턴(p)에 대해 i번째 모드, k번째 테스트 대상 객체에 대한 민감도 지수
    [수학식 10]
    Figure 112020134078313-pat00053

    여기에서,
    Figure 112020134078313-pat00054
    는 가진 패턴(p)에 대한 정규화된 민감도 지수
  15. 항온기가 제어에 의해 설정된 온도로 테스트 공간 내의 온도를 조절하는 단계;
    가진기가 제어에 의해 가진 패턴을 설정하고, 설정된 가진 패턴에 따라 상기 테스트 공간 내에 위치하는 테스트 대상 탄소복합소재에 물리적 힘을 가하는 단계;
    제1 센서가 상기 가진기에의해 상기 탄소복합소재에 가해지는 물리적 힘을 측정하는 단계;
    제2 센서가 상기 물리적 힘에 의해 유발된 상기 탄소복합소재의 진동을 수집하는 단계; 및
    민감도 분석기가 상기 제1 센서에서 측정된 물리적 힘 신호와 상기 제2 센서에서 수집된 진동 신호를 기초로 상기 탄소복합소재의 주파수 응답 함수를 산출하고
    상기 산출된 주파수 응답 함수를 기초로 탄소복합소재에 포함된 탄소소재의 배열 각도, 온도 및 가진 패턴의 변동에 대한 상기 탄소복합소재의 민감도(sensitivity)를 산출하는 단계를 포함하는 온도, 탄소소재의 배열 각도 및 가진 패턴을 고려한 탄소복합소재의 동특성 분석 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 민감도를 산출하는 단계는
    상기 주파수 응답 함수를 산출하되, 온도, 가진 패턴 및 탄소소재의 배열 각도의 영향을 반영하여 상기 주파수 응답 함수의 모달 감쇠 계수(Modal Damping Coefficient)를 산출하고, 온도 및 탄소소재의 배열 각도의 영향을 반영하여 상기 주파수 응답 함수의 공명 주파수(Resonance Frequency)를 산출하는 온도, 탄소소재의 배열 각도 및 가진 패턴을 고려한 탄소복합소재의 동특성 분석 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 민감도를 산출하는 단계는
    하기 수학식 1을 이용하여 주파수 응답 함수를 산출하는 단계를 포함하는 온도, 탄소소재의 배열 각도 및 가진 패턴을 고려한 탄소복합소재의 동특성 분석 방법.
    [수학식 1]
    Figure 112020134078313-pat00055

    여기에서, θ는 테스트 대상 탄소복합소재에 포함된 탄소소재의 배열 각도, T는 온도, p는 가진기를 통해 테스트 대상 탄소복합소재에 가해지는 가진 패턴(또는, 주파수 스펙트럼 패턴)
  18. 제17항에 있어서, 상기 민감도를 산출하는 단계는
    하기 수학식 2를 이용하여 탄소소재의 배열 각도에 대한 민감도 함수를 산출하는 단계를 포함하는 온도, 탄소소재의 배열 각도 및 가진 패턴을 고려한 탄소복합소재의 동특성 분석 방법.
    [수학식 2]
    Figure 112020134078313-pat00056

  19. 제17항에 있어서, 상기 민감도를 산출하는 단계는
    하기 수학식 5를 이용하여 온도에 대한 민감도 함수를 산출하는 단계를 포함하는 온도, 탄소소재의 배열 각도 및 가진 패턴을 고려한 탄소복합소재의 동특성 분석 방법.
    [수학식 5]
    Figure 112020134078313-pat00057

  20. 제17항에 있어서, 상기 민감도를 산출하는 단계는
    하기 수학식 8를 이용하여 가진 패턴에 대한 민감도 함수를 산출하는 단계를 포함하는 온도, 탄소소재의 배열 각도 및 가진 패턴을 고려한 탄소복합소재의 동특성 분석 방법.
    [수학식 8]
    Figure 112020134078313-pat00058


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