KR102653004B1 - 비정규 상태기반 페리다이나믹스와 디지털 이미지 상관법을 이용한 불연속 영역을 포함하는 구조물의 변위장 및 응력장 측정방법 - Google Patents
비정규 상태기반 페리다이나믹스와 디지털 이미지 상관법을 이용한 불연속 영역을 포함하는 구조물의 변위장 및 응력장 측정방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명에 따른 구조물의 변위장 및 응력장 측정방법은, 디지털 이미지 상관법(Digital image correlation, DIC)을 이용해 구조물의 변위장 및 응력장을 구하는 단계; 비정규 상태기반 페리다이나믹스 (Non-ordinary state-based peridynamics, NOSB-PD) 수치해석을 이용해 구조물의 불연속 영역의 변위장 및 응력장을 구하는 단계; 및 불연속 영역과 구조물의 나머지 영역의 변위장, 불연속 영역과 구조물의 나머지 영역의 응력장을 각각 더해 구조물 전체의 변위장과 응력장을 구하는 단계;를 포함하고, 불연속 영역은 디지털 이미지 촬영장치를 이용해 촬영한 디지털 이미지 내 픽셀의 상관관계가 소정값 이하인 영역일 수 있다.
Description
본 발명은 구조물의 변위장 및 응력장 측정방법에 관한 것으로, 좀 더 상세하게 비정규 상태기반 페리다이나믹스와 디지털 이미지 상관법을 이용한 불연속 영역을 포함하는 구조물의 변위장 및 응력장 측정방법에 관한 것이다.
구조물이 하중을 받으면 변형이 일어나고 일정 응력 상태를 넘어서면 균열이 발생한다. 균열선단 부분에서 응력 집중이 일어나며, 이 부분에 계속하여 하중을 가하게 되면 파단이 일어나게 된다. 구조물의 안전성을 확보하려면 구조물의 전 영역의 응력상태를 아는 것이 반드시 필요하다. 또한 극한 하중에 의한 구조물 파단 전후의 응력 상태를 알 수 있다면 동일한 극한 하중 상황에서 어떤 구조물이 재산 및 인명 피해를 덜 받을지 예측할 수 있으며, 피해저감 방법 및 대책을 수립하는데 도움을 줄 수 있다.
기술이 발전할수록 고층, 지하 심층, 해저 등 다양하고 험한 환경을 견뎌야 하는 여러 기계, 구조물 및 건축물이 필요하므로, 구조물의 응력상태를 엄밀하게 측정하는 것은 더욱 중요하다.
종래의 재료 및 구조물의 응력상태를 측정하는 방법으로는 인장 및 압축시험, 스트레인 게이지를 이용한 변형률 측정법, 디지털 이미지 상관법(DIC법; Digital Image Correlation-법)과 유한요소해석을 이용한 응력 측정방법, OSB 페리다이나믹 분석론(Ordinary State-Based Peridynamic Analysis)으로 개선한 DIC법이 있다.
인장 및 압축시험은, 측정하고자 하는 재료를 정해진 규격에 맞게 엄밀하게 시편을 제작하여 실험한다. 제작한 시편의 양 끝 단을 고정한 뒤 힘을 가해 누르거나 당겨 시편이 파괴될 때까지 가한 힘과 시편을 누르거나 당긴 길이를 비교하여 재료의 물성치를 측정한다. 오랜 기간 이용된 방법인 만큼 시험이 정밀하게 개선되었으나, 시편에 힘을 가하는 방향으로 변한 전체 길이만을 사용하므로 시편 내부의 응력장, 변형률 등 상황을 세밀하게 측정할 수 없다.
스트레인 게이지를 이용한 변형률 측정법은, 저항체의 전기저항이 저항체의 길이와 단면적의 변화에 영향을 받는 원리를 이용해 물체의 변형률을 측정할 수 있게 고안된 스트레인 게이지라는 센서를 이용하여 측정하고자 하는 재료의 물성치를 구하는 방법이다. 시편이나 물체 내부에서 변형률을 측정하고자 하는 점에 스트레인 게이지를 부착하므로 더 세밀하게 물체 내부의 상황을 파악할 수 있으며, 힘을 가하는 방향과 나란하지 않은 방향의 변화도 측정할 수 있다는 장점을 가진다. 하지만 스트레인 게이지를 시편에 부착할 때 시편의 표면 거칠기, 습도, 온도, 그리고 작업자의 일솜씨에 따라 스트레인 게이지가 시편으로부터 탈락할 가능성이 높으며, 작은 전기저항을 이용하므로 오차가 발생할 가능성도 높다. 또한 여러 지점을 측정하려 할수록 시험 전 작업시간이 오래 소요되는 단점이 있다.
디지털 이미지 상관법(DIC법; Digital Image Correlation-법)과 유한요소해석을 이용한 응력 측정방법은, 외력에 의한 구조물의 변형 과정을 찍은 디지털 이미지를 이용하여 구조물 전 영역의 변위장을 측정하고 유한요소해석모델을 생성하여 응력을 계산하는 방법이다. 시편을 촬영한 디지털 이미지 내 픽셀의 밝기를 각 시간대별 사진끼리 수학적인 방법으로 비교해 밝기 변화를 계산하여, 시편의 각 지점이 실시간으로 어느 방향으로 얼마나 이동하였는지 측정한다. 시편의 모든 지점의 변형률을 2차원 혹은 3차원으로 측정할 수 있으므로 시편의 모든 영역을 평가할 수 있다는 장점이 있으나, 변형이 크게 일어나거나 파단이 일어난 부분에서는 수학적으로 계산한 상관관계가 낮아져 변위장을 측정하기 힘들다.
OSB 페리다이나믹 분석론(Ordinary State-Based Peridynamic Analysis)으로 개선한 DIC법은, 기존 DIC법이 파단면 등의 불연속면에서 변형률을 잘 측정하지 못하는 단점을 OSB 페리다이나믹 방법론을 이용하여 개선한 방법이다. 먼저, 기존의 DIC법으로 시편 전 영역의 변위장을 측정한 뒤, 불연속면으로 인해 상관관계가 낮아 오차가 큰 영역을 제거한다. 그 뒤, 제거된 영역 내부의 변형률을 높은 상관관계를 가진 영역에서 추출한 변위경계조건과 OSB 페리다이나믹 분석론을 이용하여 계산한다. 기존의 DIC법과 유한요소해석을 이용한 응력 측정방법과 다르게 불연속면에서도 정확한 변형률을 계산할 수 있다는 장점이 있다. 하지만, OSB 페리다이나믹 방법론은 기존의 물성치를 가공해서 새로운 파라미터를 정의해야 할 뿐만 아니라 소성재료에 대해 기존의 소성이론을 직접적으로 적용할 수 없다는 단점이 있다.
상술한 바와 같이, DIC법을 이용하면 재료의 전 구간에 대한 응력 측정이 가능하며, 비접촉식으로 기존의 접촉식 변위 센서에 비하여 구조물의 형상, 표면상태, 습도에 영향이 미미하다는 장점이 있다. 또한, 이미지 상관관계가 낮은 불연속 지점에서는 수치해석을 이용하여 변위를 역추적할 수 있다. 하지만 OSB 페리다이나믹 수치해석은 소성재료에 대해 기존 소성이론을 직접적으로 사용할 수 없다.
따라서, 소성재료를 포함하는 모든 재료에 대하여 불연속 지점을 포함한 구조물 전 영역에 적용이 가능하고, 정확도와 계산 속도가 기존 방식에 뒤떨어지지 않는 구조물의 변위장 및 응력장 측정방법이 요구되는 실정이다.
1. I.Y. Choi, et al., "Study on the Development of the Displacement and Strain Distribution Measurement Algorithm to the Open Hole Tension Test by Using the Digital Image Correlation," J. Korean Soc. Precis. Eng., 2016; 33(2):121-128
2. D.Z. Tumer, "Peridynamics-Based Digital Image Correlation Algorithm Suitable for Cracks and Other Discontinuities," J. Eng. Mech. 2015; 141(2):04014115
본 발명의 목적은 소성재료를 포함하는 모든 재료의 구조물의 전 영역에 적용이 가능하고, 정확도와 계산 속도가 기존 방식에 뒤떨어지지 않는 구조물과 해당 구조물의 불연속 영역의 변위장 및 응력장을 측정하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 구조물의 변위장 및 응력장 측정방법은, 디지털 이미지 상관법(Digital image correlation, DIC)을 이용해 구조물의 변위장 및 응력장을 구하는 단계; 비정규 상태기반 페리다이나믹스 (Non-ordinary state-based peridynamics, NOSB-PD) 수치해석을 이용해 상기 구조물의 불연속 영역의 변위장 및 응력장을 구하는 단계; 및 상기 불연속 영역과 상기 구조물의 나머지 영역의 변위장, 상기 불연속 영역과 상기 구조물의 나머지 영역의 응력장을 각각 더해 상기 구조물 전체의 변위장과 응력장을 구하는 단계;를 포함하고, 상기 불연속 영역은 디지털 이미지 촬영장치를 이용해 촬영한 디지털 이미지 내 상관관계가 소정값 이하인 영역일 수 있다.
또한, 상기 구조물의 변위장 및 응력장을 구하는 단계는 상기 디지털 이미지 촬영장치를 이용해 상기 구조물의 표면을 소정 시간 동안 촬영하는 단계; 상기 디지털 이미지에서 소정 크기의 서브이미지를 추출하는 단계; 상기 서브이미지를 순차적으로 비교해 상기 나머지 영역의 변위장을 구하는 단계; 유한요소모델을 생성하여 상기 나머지 영역의 응력장을 구하는 단계; 및 상기 나머지 영역에서 상기 불연속 영역의 변위경계조건을 추출하는 단계;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 소정 시간은 상기 구조물의 변형 직전부터 완료까지의 시간을 포함할 수 있다.
또한, 상기 서브이미지는 가로세로의 길이가 (2n+1)픽셀이고, 상기 n은 양의 정수일 수 있다.
또한, 상기 구조물의 불연속 영역의 변위장 및 응력장을 구하는 단계는 상기 변위경계조건을 적용한 상기 비정규 상태기반 페리다이나믹스 수치해석을 통해 상기 불연속 영역의 변위장 및 응력장을 구하는 단계일 수 있다.
또한, 상기 구조물의 표면에는 speckle 패턴 또는 고유의 패턴이 형성될 수 있다.
본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 구조물의 불연속 영역의 변위장 및 응력장 측정방법은, 디지털 이미지 상관법(Digital image correlation, DIC)을 이용해 구조물의 변위장을 구하는 단계; 및 비정규 상태기반 페리다이나믹스 (Non-ordinary state-based peridynamics, NOSB-PD) 수치해석을 이용해 상기 구조물의 불연속 영역의 변위장 및 응력장을 구하는 단계;를 포함하고, 상기 불연속 영역은 디지털 이미지 촬영장치를 이용해 촬영한 디지털 이미지 내 픽셀의 상관관계가 소정값 이하인 영역일 수 있다.
또한, 상기 구조물의 변위를 구하는 단계는 상기 디지털 이미지 촬영장치를 이용해 상기 구조물을 소정 시간 동안 촬영하는 단계; 상기 디지털 이미지에서 소정 크기의 서브이미지를 추출하는 단계; 상기 서브이미지를 순차적으로 비교해 상기 구조물의 불연속 영역 외 영역의 변위장을 구하는 단계; 및 상기 불연속 영역 외 영역에서 상기 불연속 영역의 변위경계조건을 추출하는 단계;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 소정 시간은 상기 구조물의 변형 직전부터 완료까지의 시간을 포함할 수 있다.
또한, 상기 서브이미지는 가로세로의 길이가 (2n+1)픽셀이고, 상기 n은 양의 정수일 수 있다.
또한, 상기 구조물의 표면에는 speckle 패턴 또는 고유의 패턴이 형성될 수 있다.
또한, 상기 구조물의 불연속 영역의 변위장 및 응력장을 구하는 단계는 상기 변위경계조건을 상기 비정규 상태기반 페리다이나믹스 수치해석에 적용해 상기 불연속 영역의 변위장 및 응력장을 구하는 단계일 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 디지털 이미지 상관법(DIC)과 비정규 상태기반 페리다이나믹스(NOSB-PD)를 이용하여 불연속 영역과 불연속 영역 외 영역의 변위장 및 응력장을 구할 수 있다.
또한, 디지털 이미지 상관법(DIC)을 통해 취득한 불연속 영역의 변위경계조건을 적용한 NOSB-PD 수치해석을 통해 불연속 영역의 집중응력을 구할 수 있다.
또한, 과다 하중 또는 변형으로 인하여 재료의 항복강도를 넘어서고, 균열이 생성되는 영역의 균열 진전 방향을 예측할 수 있다.
또한, 요소를 만들지 않고 점들의 변위를 가지고 응력을 계산하는 무요소기법인 NOSB-PD 수치해석을 통해, 불연속적 영역의 변위장 및 응력장을 높은 정확도로 구할 수 있다.
또한, 불연속 영역을 포함하는 구조물 전체의 변위장 및 응력을 구할 수 있다.
다만, 본 발명의 효과는 상기 효과들로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 비정규 상태기반 페리다이나믹스(NOSB-PD)와 디지털 이미지 상관법(DIC)을 이용한 불연속 영역을 포함한 구조물의 변위장 및 응력장 측정방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 구조물의 표면을 촬영한 디지털 이미지(좌)에서 서브이미지(우)를 추출하는 방법을 보여주는 예시이다.
도 2는 구조물의 표면을 촬영한 디지털 이미지(좌)에서 서브이미지(우)를 추출하는 방법을 보여주는 예시이다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 보다 상세하게 설명한다. 본 발명의 구성요소 중 종래기술에 의하여 통상의 기술자가 명확하게 파악할 수 있고 용이하게 재현할 수 있는 것에 관하여는 본 발명의 요지를 흐리지 않기 위하여 그 구체적인 설명을 생략하도록 한다.
이하에서는, 본 발명에 따른 비정규 상태기반 페리다이나믹스(Non-ordinary state-based peridynamics, 이하, NOSB-PD로 표기)와 디지털 이미지 상관법(Digital image correlation, 이하, DIC로 표기)을 이용한 구조물 및 상기 구조물의 불연속 영역의 변위장 및 응력장 측정방법에 대하여 설명하도록 한다.
먼저, 본 발명에 따른 NOSB-PD와 DIC를 이용한 구조물 변위장 및 응력장 측정방법은, 크게 DIC를 통해 구조물의 변위장 및 응력장을 구하는 단계(S100), NOSB-PD의 수치해석을 통해 불연속 영역의 변위장 및 응력장을 구하는 단계(S200), 구조물 전체 영역의 변위장 및 응력장을 구하는 단계(S300)로 진행될 수 있다.
이때, 불연속 영역은 디지털 이미지 촬영장치를 이용해 촬영한 디지털 이미지 내 픽셀의 변위장이 소정값 이상인 영역일 수 있고, 구조물 전체 영역은 불연속 영역과 불연속 영역 외 영역, 즉 나머지 영역을 더한 영역일 수 있다.
본 발명의 구현을 위해서, DIC와 NOSB-PD의 실행 및 처리, 유한요소해석, 디지털 이미지 촬영장치의 제어가 가능한 CPU를 포함하는 컴퓨터가 구비되고, 이때 디지털 이미지 촬영장치는 비전 시스템일 수 있다.
DIC를 통해 구조물의 변위장 및 응력장을 구하는 단계(S100)는, 비전 시스템을 이용해 구조물의 표면을 소정 시간 동안 촬영하는 단계(S110), 촬영한 디지털 이미지에서 소정 크기의 서브이미지를 추출하는 단계(S120), 서브이미지를 순차적으로 비교해 나머지 영역의 변위장을 구하는 단계(S130), 유한요소모델을 생성하여 나머지 영역의 응력장을 구하는 단계(S140) 및 나머지 영역에서 불연속 영역의 변위장경계조건을 추출하는 단계(S150)를 포함할 수 있다.
즉, DIC를 통해 구조물의 변위장 및 응력장을 구하는 단계(S100)는, 디지털 이미지를 이용해 나머지 영역의 변위장과 응력장을 구하고, 불연속 영역의 변위장경계조건을 추출하는 단계일 수 있다.
이때, 소정 시간은 구조물의 변형 직전부터 완료까지의 시간을 포함할 수 있다.
좀더 상세하게, 변형 전후의 시간 차는 작을수록 상관관계는 높아지게 된다. 하지만 시간 차를 작게 할수록, 최종 변형에 해당하는 최종 시간까지 필요한 계산량이 상당히 증가할 수 있다. 따라서, 비전 시스템의 성능 및 변형 속도 등에 따라 변형 전후의 시간차는 적절하게 정할 수 있다.
비전 시스템을 이용해 구조물의 표면을 소정 시간 동안 촬영하는 단계(S110)는, 구조물의 변형 전후를 시간대별로 촬영하는 단계로, 촬영된 디지털 이미지는 다음 디지털 이미지, 즉 촬영 시간간격 
만큼 흐른 후 촬영한 디지털 이미지에 대한 레퍼런스(reference)가 되어 
동안의 변위 계산에 사용될 수 있다.
촬영한 디지털 이미지에서 소정 크기의 서브이미지를 추출하는 단계(S120)는,각 디지털 이미지에서 픽셀을 중심으로 x축과 y축 방향, 즉 가로세로의 길이가 (2n+1)픽셀인 서브이미지를 추출하는 단계일 수 있다.
이때, n은 양의 정수일 수 있다.
서브이미지를 순차적으로 비교해 나머지 영역의 변위장을 구하는 단계(S130)는, 구조물의 변형 전후 디지털 이미지의 이미지 상관관계 비교를 통해 픽셀의 변위를 계산하는 단계로, 좀더 상세하게 서브이미지 내 픽셀의 밝기를 각 시간대별 사진끼리 수학적인 방법으로 비교하여 밝기의 변화를 계산하고, 구조물의 각 지점이 실시간으로 어느 방향으로 얼마나 이동하였는지 측정함으로써 나머지 영역의 변위장을 구하는 단계일 수 있다.
여기서, 픽셀의 밝기란, 각 픽셀이 가진 색을 수치화한 뒤 수학적인 방법으로 조합하여 표현한 값으로 픽셀의 세기라고 표현할 수도 있다.
나머지 영역에서 불연속 영역의 변위장경계조건을 추출하는 단계(S150)는, 불연속 영역의 경계면(Boundary)에서의 변위경계조건(Displacement boundary condition)을 나머지 영역에서 추출하는 단계일 수 있다. 즉, 디지털 이미지 내 픽셀의 상관관계가 소정값 이하인 나머지 영역의 경계면을 추출함으로써 역으로 불연속 영역의 경계면에서의 변위장경계조건을 추출하는 단계일 수 있다.
도 2는 구조물의 표면을 촬영한 디지털 이미지(좌)에서 서브이미지(우)를 추출하는 방법을 보여주는 예시이다.
도 2를 참조하여, 구조물의 표면에는 speckle 패턴 또는 고유의 패턴이 형성될 수 있다.
DIC를 통해 구조물의 변위장을 구하기 위해서는, 구조물의 전 영역의 변형 트랙킹이 용이하도록 도 2의 좌측 이미지와 같이 구조물의 표면에 speckle 패턴 또는 고유한 패턴이 형성되는 것이 바람직할 수 있다.
서브이미지 역시, 변형 전과 후의 상태 변화를 구분하기 용이하도록, 도 2의 우측 이미지와 같이 speckle 패턴 또는 고유의 패턴을 포함하는 영역을 선택하는 것이 바람직할 수 있다.
외력에 의해 구조물의 변형이 심하거나 균열과 같은 불연속 지점이 생겼을 경우, 이미지 상관관계는 급격히 하락하게 된다.
따라서, 본 발명은 DIC를 통해 측정하기 어려운 구조물의 불연속 영역의 변위장 및 응력장을 구하는 단계(S200)에 NOSB-PD를 적용하는 것을 특징으로 한다.
구조물의 불연속 영역의 변위장 및 응력장을 구하는 단계(S200)는, 불연속 영역의 변위장경계조건을 추출하는 단계(S150)를 통해 취득한 변위장경계조건을 NOSB-PD 수치해석에 적용하여 불연속 영역의 변위장 및 응력장을 구하는 단계일 수 있다.
NOSB-PD 수치해석을 통해 불연속 영역의 변위를 구하게 되면 그 내부의 응력, 즉 불연속 영역의 응력장도 자동적으로 구할 수 있다.
변위경계조건을 적용하여 NOSB-PD 수치해석을 돌릴 시, 구조물의 재료의 항복강도를 넘어서는 영역이 발생할 수 있으며, 해당 영역의 균열 발생 및 진전도 예측할 수 있다.
구조물 전체 영역의 변위장 및 응력장을 구하는 단계(S300)는, DIC를 통해 구조물의 변위장 및 응력장을 구하는 단계(S100)와 NOSB-PD의 수치해석을 통해 불연속 영역의 변위장 및 응력장을 구하는 단계(S200)를 통해 취득한 불연속 영역과 나머지 영역의 변위장, 불연속 영역과 나머지 영역의 응력장을 각각 더해 구조물 전체 영역의 변위장 및 응력장을 구하는 단계일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 NOSB-PD와 DIC를 이용한 구조물의 변위장 및 응력장 측정방법의 이해를 돕기 위해 시각적으로 간략하게 표현한 도면이다.
상술한 내용을 바탕으로, 도 1의 (a)단계는 비전 시스템을 이용해 구조물의 표면을 소정 시간 동안 촬영하는 단계(S110), 촬영한 디지털 이미지에서 소정 크기의 서브이미지를 추출하는 단계(S120), 서브이미지를 순차적으로 비교해 나머지 영역(A)의 변위장을 구하는 단계(S130) 및 유한요소모델을 생성하여 나머지 영역(A)의 응력장을 구하는 단계(S140)를 포함할 수 있고, 도 1의 (b)단계는 나머지 영역(A)에서 불연속 영역(B)의 변위장경계조건을 추출하는 단계(S150)일 수 있고, 도 1의 (c)단계는 NOSB-PD 수치해석을 통해 불연속 영역(B)의 변위장 및 응력장을 구하는 단계(S200)일 수 있고, 도 1의 (d)단계는 구조물 전체 영역(A+B)의 변위장 및 응력장을 구하는 단계(S300)일 수 있다.
도 1의 (d)단계는, 나머지 영역(A)에 대해서 유한요소모델을 적용하여 응력장을 구하는 단계와, 불연속 영역(B)에 대해서 NOSB-PD를 이용하여 응력장을 구하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 도 1의 (a)단계에서 나머지 영역(A)의 응력장을 구하고, 도 1의 (c)단계에서 불연속 영역(B)의 응력장 구하는 단계를 각각 진행하고, 도 1의 (d)단계에서는 취득한 불연속 영역(B)과 나머지 영역(A)의 변위장 및 응력장을 각각 합치는 단계만 포함할 수도 있다.
다시 말해, 본 발명은 순차적으로 진행하지 않아도 실행 가능한 단계에 대해서는 그 순서를 한정하지 않고 유동적으로 실행할 수 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 NOSB-PD와 DIC를 이용한 구조물의 불연속 영역의 변위장 및 응력장 측정방법은, 크게 DIC를 통해 구조물의 변위장 및 응력장을 구하는 단계(S100), NOSB-PD의 수치해석을 통해 불연속 영역의 변위장 및 응력장을 구하는 단계(S200) 순서로 진행될 수 있다.
본 발명에 따른 NOSB-PD와 DIC를 이용한 구조물의 불연속 영역의 변위장 및 응력장 측정방법은, 상술한 NOSB-PD와 DIC를 이용한 구조물의 변위장 및 응력장 측정방법에서 구조물 전체 영역의 변위장 및 응력장을 구하는 단계(S300)(도 1의 (d)단계)를 제외한 것과 동일할 수 있다.
즉, DIC를 통해 구조물의 변위장 및 응력장을 구하는 단계(S100)는, 비전 시스템을 이용해 구조물의 표면을 소정 시간 동안 촬영하는 단계(S110), 촬영한 디지털 이미지에서 소정 크기의 서브이미지를 추출하는 단계(S120), 서브이미지를 순차적으로 비교해 나머지 영역의 변위장을 구하는 단계(S130), 유한요소모델을 생성하여 나머지 영역의 응력장을 구하는 단계(S140) 및 나머지 영역에서 불연속 영역의 변위장경계조건을 추출하는 단계(S150)를 포함하고, 구조물의 불연속 영역의 변위장 및 응력장을 구하는 단계(S200)는, 불연속 영역의 변위장경계조건을 추출하는 단계(S150)를 통해 취득한 변위장경계조건을 NOSB-PD 수치해석에 적용하여 불연속 영역의 변위장 및 응력장을 구하는 단계일 수 있다.
각 단계에 대한 상세한 설명은 상술한 내용과 동일하므로 생략한다.
이상에서 실시 형태들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시 형태에 포함되며, 반드시 하나의 실시 형태에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시 형태에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시 형태들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시 형태들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
또한, 이상에서 실시 형태를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시 형태의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 즉, 실시 형태에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
Claims (12)
- 디지털 이미지 상관법(Digital image correlation, DIC)을 이용해 구조물의 변위장 및 응력장을 구하는 단계;
비정규 상태기반 페리다이나믹스 (Non-ordinary state-based peridynamics, NOSB-PD) 수치해석을 이용해 상기 구조물의 불연속 영역의 변위장 및 응력장을 구하는 단계; 및
상기 불연속 영역과 상기 구조물의 나머지 영역의 변위장, 상기 불연속 영역과 상기 구조물의 나머지 영역의 응력장을 각각 더해 상기 구조물 전체의 변위장과 응력장을 구하는 단계;를 포함하고,
상기 불연속 영역은,
디지털 이미지 촬영장치를 이용해 촬영한 디지털 이미지 내 픽셀의 상관관계가 소정값 이하인 영역이며,
상기 구조물의 변위장 및 응력장을 구하는 단계는,
상기 디지털 이미지 촬영장치를 이용해 상기 구조물의 표면을 소정 시간 동안 촬영하는 단계;
상기 디지털 이미지에서 소정 크기의 서브이미지를 추출하는 단계;
상기 서브이미지를 순차적으로 비교해 상기 나머지 영역의 변위장을 구하는 단계;
유한요소모델을 생성하여 상기 나머지 영역의 응력장을 구하는 단계; 및
상기 나머지 영역에서 상기 불연속 영역의 변위경계조건을 추출하는 단계;를 포함하는, 비정규 상태기반 페리다이나믹스와 디지털 이미지 상관법을 이용한 구조물의 변위장 및 응력장 측정방법.
- 삭제
- 제1 항에 있어서,
상기 소정 시간은,
상기 구조물의 변형 직전부터 완료까지의 시간을 포함하는, 비정규 상태기반 페리다이나믹스와 디지털 이미지 상관법을 이용한 구조물의 변위장 및 응력장 측정방법. - 제1 항에 있어서,
상기 서브이미지는,
가로세로의 길이가 (2n+1)픽셀이고,
상기 n은 양의 정수인, 비정규 상태기반 페리다이나믹스와 디지털 이미지 상관법을 이용한 구조물의 변위장 및 응력장 측정방법. - 제1 항에 있어서,
상기 구조물의 불연속 영역의 변위장 및 응력장을 구하는 단계는,
상기 변위경계조건을 적용한 상기 비정규 상태기반 페리다이나믹스 수치해석을 통해 상기 불연속 영역의 변위장 및 응력장을 구하는 단계인, 비정규 상태기반 페리다이나믹스와 디지털 이미지 상관법을 이용한 구조물의 변위장 및 응력장 측정방법. - 제1 항에 있어서,
상기 구조물의 표면에는,
speckle 패턴 또는 고유의 패턴이 형성되는, 비정규 상태기반 페리다이나믹스와 디지털 이미지 상관법을 이용한 구조물의 변위장 및 응력장 측정방법. - 디지털 이미지 상관법(Digital image correlation, DIC)을 이용해 구조물의 변위장을 구하는 단계; 및
비정규 상태기반 페리다이나믹스 (Non-ordinary state-based peridynamics, NOSB-PD) 수치해석을 이용해 상기 구조물의 불연속 영역의 변위장 및 응력장을 구하는 단계;를 포함하고,
상기 불연속 영역은,
디지털 이미지 촬영장치를 이용해 촬영한 디지털 이미지 내 픽셀의 상관관계가 소정값 이하인 영역이며,
상기 구조물의 변위장을 구하는 단계는,
상기 디지털 이미지 촬영장치를 이용해 상기 구조물을 소정 시간 동안 촬영하는 단계;
상기 디지털 이미지에서 소정 크기의 서브이미지를 추출하는 단계;
상기 서브이미지를 순차적으로 비교해 상기 구조물의 불연속 영역 외 영역의 변위장을 구하는 단계; 및
상기 불연속 영역 외 영역에서 상기 불연속 영역의 변위경계조건을 추출하는 단계;를 포함하는, 비정규 상태기반 페리다이나믹스와 디지털 이미지 상관법을 이용한 구조물의 불연속 영역의 변위장 및 응력장 측정방법.
- 삭제
- 제7 항에 있어서,
상기 소정 시간은,
상기 구조물의 변형 직전부터 완료까지의 시간을 포함하는, 비정규 상태기반 페리다이나믹스와 디지털 이미지 상관법을 이용한 구조물의 불연속 영역의 변위장 및 응력장 측정방법. - 제7 항에 있어서,
상기 서브이미지는,
가로세로의 길이가 (2n+1)픽셀이고,
상기 n은 양의 정수인, 비정규 상태기반 페리다이나믹스와 디지털 이미지 상관법을 이용한 구조물의 불연속 영역의 변위장 및 응력장 측정방법. - 제7 항에 있어서,
상기 구조물의 표면에는,
speckle 패턴 또는 고유의 패턴이 형성되는, 비정규 상태기반 페리다이나믹스와 디지털 이미지 상관법을 이용한 구조물의 불연속 영역의 변위장 및 응력장 측정방법. - 제7 항에 있어서,
상기 구조물의 불연속 영역의 변위장 및 응력장을 구하는 단계는,
상기 변위경계조건을 상기 비정규 상태기반 페리다이나믹스 수치해석에 적용해 상기 불연속 영역의 변위장 및 응력장을 구하는 단계인, 비정규 상태기반 페리다이나믹스와 디지털 이미지 상관법을 이용한 구조물의 불연속 영역의 변위장 및 응력장 측정방법.
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|---|---|---|---|---|
| JP4135946B2 (ja) | 2003-05-12 | 2008-08-20 | 学校法人日本大学 | スポット溶接構造の疲労寿命予測方法 |
| WO2011065175A1 (ja) | 2009-11-27 | 2011-06-03 | 国立大学法人京都工芸繊維大学 | 応力計測装置及び応力計測方法 |
| KR101924024B1 (ko) * | 2017-05-24 | 2018-11-30 | 울산과학기술원 | 디지털 이미지 상관관계를 이용하는 응력 측정방법 및 그 장치 |
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2021
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| WO2011065175A1 (ja) | 2009-11-27 | 2011-06-03 | 国立大学法人京都工芸繊維大学 | 応力計測装置及び応力計測方法 |
| KR101924024B1 (ko) * | 2017-05-24 | 2018-11-30 | 울산과학기술원 | 디지털 이미지 상관관계를 이용하는 응력 측정방법 및 그 장치 |
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