KR20110027469A - 인장 시험 장치 및 인장 시험 방법 - Google Patents

인장 시험 장치 및 인장 시험 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 원통형 시편의 내주면을 지지하며 내압의 증가에 의해 팽창되어 상기 원통형 시편에 원주 방향 하중을 가하는 팽창 튜브와, 상기 팽창 튜브의 내측 방향 팽창을 제한하도록 상기 팽창 튜브의 내주면을 지지하는 원환형 지지체와, 상기 팽창 튜브의 상하 방향 팽창을 제한하도록 상기 팽창 튜브의 상부 및 하부를 각각 지지하는 상부 및 하부 지지체를 포함하는 인장 시험 장치 및 이를 이용한 인장 시험 방법을 개시한다.

Description

인장 시험 장치 및 인장 시험 방법{DEVICE AND METHOD FOR TENSILE TEST}
본 발명은 원통형 시편의 원주 방향 인장을 측정하기 위한 인장 시험 장치 및 인장 시험 방법에 관한 것이다.
일반적으로 압력 용기, 실린더 등의 구조물을 설계할 때, 원통형 구조물에 대한 기계적 물성의 평가가 필수적으로 요구된다. 이를 위하여, 원통 또는 링 형태의 구조물에 대한 시험은 압력 용기 등의 전체 구조를 시험하는 것보다 훨씬 간단하고 효율적으로 평가할 수 있는 방법이 된다.
원통형 구조물의 기계적 물성에 대한 시험의 일 예로서, 원통형 구조물의 원주 방향의 인장을 측정하는 원주 방향 인장 시험을 들 수 있다.
일반적으로 이러한 인장 시험은 반원형으로 형성된 인장 시험 장치에 원통형 시편을 장착하고, 원통형 시편에 단순 인장 하중을 가하는 방식으로 수행되고 있다.
그러나, 이러한 방식은 시편에 순수한 원주 방향의 인장을 가하지 못하고, 굽어있는 시편 상에 오히려 굴곡 하중을 인가하게 되는 문제점이 있다. 따라서, 시편에 순수한 원주 방향의 하중을 인가하기 위한 새로운 구조의 인장 시험 장치가 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 간단한 구조를 통하여 원통형 시편에 대해 원주 방향의 균일한 인장 하중을 인가할 수 있는 인장 시험 장치 및 인장 시험 방법을 제공함으로써, 원통형 시편의 기계적 특성을 정확하게 측정할 수 있도록 하기 위한 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 원통형 시편의 내주면을 지지하며 내압의 증가에 의해 팽창되어 상기 원통형 시편에 원주 방향 하중을 가하는 팽창 튜브와, 상기 팽창 튜브의 내측 방향 팽창을 제한하도록 상기 팽창 튜브의 내주면을 지지하는 원환형 지지체와, 상기 팽창 튜브의 상하 방향 팽창을 제한하도록 상기 팽창 튜브의 상부 및 하부를 각각 지지하는 상부 및 하부 지지체를 포함하는 인장 시험 장치를 개시한다.
상기 상부 지지체와 하부 지지체는 상기 원통형 시편의 상부와 하부를 각각 지지하도록 구성될 수 있다.
상기 원환형 지지체의 외주면에는 상기 팽창 튜브에 연결된 호스가 관통하는 수평 방향의 제1관통홀이 형성되고, 상기 하부 지지체에는 상기 호스가 관통하는 상하 방향의 제2관통홀이 형성될 수 있다.
상기 상부 및 하부 지지체의 사이에는 상기 원통형 시편의 외주면을 덮는 원환형 커버가 추가적으로 배치될 수 있다.
상기 원환형 커버의 내주면은 상기 팽창 튜브의 팽창 공간을 확보하도록 상 기 팽창 튜브의 외측 방향으로 일정 간격 이격되게 위치할 수 있으며, 상기 원환형 지지체와 원환형 커버는 상기 원통형 시편에 비해 0.05mm 이내의 큰 높이를 가질 수 있다.
상기 원환형 지지체 또는 원환형 커버의 내부에는 상기 원통형 시편의 온도를 상승시키도록 상기 원통형 시편을 가열하는 가열 장치가 추가적으로 설치될 수 있다.
상기 팽창 튜브와 상기 원통형 시편의 사이에는 상기 팽창 튜브의 팽창시 상기 팽창 튜브를 보호하는 보호 밴드가 배치될 수 있다.
한편, 본 발명은 내압의 증가에 의해 팽창 가능한 팽창 튜브로 원통형 시편의 내주면을 지지하는 단계와, 상기 팽창 튜브를 팽창시켜 상기 원통형 시편에 원주 방향 하중을 가하는 단계를 포함하고, 상기 팽창튜브는 내주면에 배치된 원환형 지지체에 의해 내주면 방향 팽창이 제한되며, 상부 및 하부에 배치된 상부 및 하부 지지체에 의해 상하 방향 팽창이 제한되는 것을 특징으로 인장 시험 방법을 개시한다.
본 발명은 원통형 시편의 내주면에 팽창 튜브를 배치하고, 팽창 튜브의 외측 방향을 제외한 나머지 방향의 변형을 억제할 수 있는 인장 시험 장치의 구조 및 시험 방법을 제공함으로써, 원통형 시편에 순수한 원주 방향 하중을 가할 수 있으며, 이에 따라 원통형 시편의 기계적 특성을 정확하게 측정하도록 하는 효과를 갖는다.
이하, 본 발명에 관련된 인장 시험 장치 및 인장 시험 방법에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
도 1 및 도 2은 본 발명의 일 실시예와 관련된 인장 시험 장치의 사시도들이며, 도 3은 도 1에 도시된 인장 시험 장치의 단면도이다.
본 발명과 관련된 인장 시험 장치는 원통형 시편(200)의 원주 방향 인장을 측정하기 위한 것으로서, 인장 시험 장치는 팽창 튜브(110), 원환형 지지체(120), 상부 지지체(130), 및 하부 지지체(140)를 포함한다.
도 2는 도 1의 인장 시험 장치에서 상부 지지체(130)를 분해한 모습을 나타내고 있다.
팽창 튜브(110)는 원통형 시편(200)의 내주면을 지지하며, 내압의 증가에 의해 팽창되어 원통형 시편(200)에 원주 방향 하중을 가하도록 구성된다. 팽창 튜브(110)는 내압에 의해 팽창 가능한 재질을 가지며, 예를 들어 고무 재질로 형성될 수 있다.
원환형 지지체(120)는 팽창 튜브(110)의 내측에 배치되어 팽창 튜브(110)의 내주면을 지지하며, 팽창 튜브(110)의 팽창시 팽창 튜브(110)의 내측 방향 팽창을 제한한다.
상부 지지체(130)는 팽창 튜브(110)의 상측에 배치되어 팽창 튜브(110)의 상부를 지지하며, 팽창 튜브(110)의 팽창시 팽창 튜브(110)의 상측 방향 팽창을 제한한다. 그리고, 하부 지지체(140)는 팽창 튜브(110)의 하측에 배치되어 팽창 튜브(110)의 하부를 지지하며, 팽창 튜브(110)의 상측 방향 팽창을 제한한다. 여기 서, 상부 지지체(130)와 하부 지지체(140)는 원통형 시편(200)의 상부와 하부를 각각 지지하도록 구성될 수 있다.
상부 지지체(130)와 하부 지지체(140) 사이의 거리는 원통형 시편(200)의 높이에 비해 약간 크게 형성될 수 있으며(예를 들어, 원통형 시편의 높이보다 0.05mm 이내로 큰 거리), 이에 따라 원통형 시편(200)이 반경 방향으로 자유롭게 움직일 수 있다.
상부 지지체(130)와 하부 지지체(140)의 사이에는 팽창 튜브(110)의 외주면을 덮는 원환형 커버(150)가 추가적으로 배치될 수 있다. 원환형 커버(150)의 외주면은 팽창 튜브(110)의 팽창 공간을 확보하도록 팽창 튜브(110)의 외측 방향으로 일정 간격 이격되게 위치한다.
여기서, 원환형 지지체(120)와 원환형 커버(150)는 원통형 시편(200)에 비해 약간 큰 높이를 가진다. 예를 들어, 원환형 지지체(120)와 원환형 커버(150)는 원통형 시편(200)에 비해 0.05mm 이내의 큰 높이를 가질 수 있으며, 이에 따라 원통형 시편(200)이 반경 방향으로 자유롭게 이동할 수 있다. 원환형 커버(150)는 원통형 시편(200)의 파단시 팽창 튜브(110)가 외부로 이탈되는 것을 방지한다.
원환형 지지체(120) 또는 원환형 커버(150)의 내부에는 인장 시험시 원통형 시편(200)의 온도를 상승시키기 위한 가열 장치가 추가적으로 설치될 수 있다. 가열 장치는 원환형 지지체(120) 또는 원환형 커버(150)의 단면 내부에 설치될 수 있으며, 가열 장치를 통해 원통형 시편의 온도를 조절함으로써 원하는 온도 조건에서 인장 시험을 수행할 수 있다.
하부 지지체(140)에는 가이드 축(145)이 결합되며, 가이드 축(145)의 외측 방향을 따라 원환형 지지체(120), 팽창 튜브(110), 원통형 시편(200), 원환형 커버가 차례로 배치된다. 아울러, 상부 지지체(130)가 이들의 상부에 결합되며, 이 때 가이드 축(145)의 단부는 상부 지지체(130)에 형성된 가이드 홈(135)에 삽입된다.
상부 지지체(130)와 하부 지지체(140)는 제1체결부재들(161)에 의해 원환형 지지체(120)의 상부 및 하부에 각각 체결된다. 아울러, 상부 지지체(130)와 하부 지지체(140)는 제2체결부재들(162)에 의해 원환형 커버(150)의 상부 및 하부에 각각 체결된다. 이와 같이, 상부 및 하부 지지체(130,140)는 제1 및 제2체결부재들(161,162)에 의해 원환형 지지체(120)와 원환형 커버(150)에 고정되며, 이에 따라 팽창 튜브(110)의 팽창에 의해 상부 및 하부 지지체(130,140)가 상하로 이동하는 것이 방지될 수 있다.
제1 및 제2체결부재들(161,162)로서 체결용 볼트들이 사용될 수 있으며, 상부 지지체(130)에는 체결용 볼트들이 체결되는 체결홀들(131,132)이 형성될 수 있다.
도 4는 도 2에 도시된 인장 시험 장치의 분해 사시도이다.
팽창 튜브(110)에는 압력(수압 또는 공압)의 주입을 위한 밸브(111)가 설치되며, 밸브(111)에는 외부로부터의 압력을 전달하기 위한 호스(미도시)가 연결된다.
원환형 지지체(120)의 외주면에는 팽창튜브에 연결된 호스가 관통하는 제1관통홀(125)이 수평 방향으로 형성된다. 그리고, 원환형 지지체(120)에는 제1체결부 재들(161)이 체결되는 체결홀들(121)들이 상하 방향으로 형성된다.
하부 지지체(140)에는 제1관통홀(125)을 통과한 호스가 관통하는 제2관통홀(146)이 상하 방향으로 형성된다. 아울러, 하부 지지체(140)에는 제1체결부재들(161)과 제2체결부재들(162)이 체결되는 체결홀들(141)이 형성된다.
원통형 시편(200)에는 인장량을 측정하기 위한 센서(미도시)들이 부착될 수 있으며, 이러한 센서들의 일 예로서 스트레인 게이지(strain gage)가 사용될 수 있다. 원환형 커버(150)에는 센서와 연결된 라인들이 관통하기 위한 라인홀들(151)이 수평 방향으로 형성될 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 인장 시험 장치를 이용한 인장 시험 방법을 나타내는 평면도들이다.
도 5a와 같이, 센서들이 부착된 원통형 시편(200)을 팽창 튜브(110)의 외주면에 위치시킨다. 그리고, 상부 및 하부 지지체(130,140)를 제1 및 제2체결부재들(161,162)을 통해 원환형 지지체(120)와 원환형 커버(150)에 체결시킨다.
그리고, 필요에 따라 가열 장치를 통해 원통형 시편을 원하는 온도로 가열할 수도 있다.
다음으로, 호스를 통해 팽창 튜브(110)의 내부에 압력을 공급한다. 본 실시예에서는 물을 공급하여 팽창 튜브 내부의 압력을 증가시켰다.
도 5b와 같이, 팽창 튜브(110)의 내압이 증가함에 따라 팽창 튜브가 팽창되게 된다. 원통형 시편(200)의 내주면이 팽창 튜브(110)의 외주면에 의해 지지되므로, 팽창 튜브(110)의 팽창에 의해 원통형 시편(200)에 원주 방향 하중이 가해지게 되어 원통형 시편(200)에 원주 방향으로 인장 변형이 발생하게 된다.
이 과정에서, 팽창 튜브(110)는 원환형 지지체(120)에 의해 내측 방향 팽창이 제한되며, 상부 및 하부 지지체(130,140)에 의해 상부 및 하부 방향 팽창이 제한되므로, 원통형 시편(200)에 원주 방향의 균일한 인장 하중을 가할 수 있다.
원통형 시편(200)에 부착된 센서는 원통형 시편(200)의 원주 방향 인장량을 측정하여 이를 외부 계측기기에 인가한다.
도 6은 본 발명의 인장 시험 방법에 적용되는 원통형 시편의 단면도이다.
도 6을 참조하면, 원통형 시편(200)의 내주면에는 팽창 튜브(110)를 보호하기 위한 보호 밴드(210)가 추가적으로 구비될 수 있다. 보호 밴드(210)는 탄성 변형 가능한 재질로서 고무 재질로 형성될 수 있다. 본 실시예는 보호 밴드(210)가 원통형 시편(200)에 일체로 형성된 것을 예시하고 있으나, 보호 밴드(210)가 원통형 시편(200)과 별도로 분리되어 배치되는 것도 가능하다.
보호 밴드(210)는 인장 시험시 팽창 튜브(110)와 원통형 시편(200)의 사이에 배치되어 팽창 튜브(110)의 팽창시 원통형시편(200)과 상부 및 하부지지체(130,140)사이의 간극으로 팽창 튜브(110)가 끼어들어 발생하는 팽창 튜브(110)의 국부적인 손상을 방지하며, 원통형 시편(200)의 불균일한 인장 변형을 방지한다. 이를 위하여, 보호 밴드(210)은 원통형 시편(200)보다 큰 높이를 가질 수 있다.
원통형 시편(200)의 외주면에는 보강 부재들(221,222)가 추가적으로 부착될 수 있다. 보강부재들(221,222)은 원통형 시편의 상단과 하단에 부착되어 원통형 시 편(200)의 상단과 하단에서 파단이 시작되는 것을 방지한다.
본 실시예에서 사용된 원통형 시편(200)의 경우 탄소 섬유와 에폭시 수지의 복합재로 이루어지며, 원통형 시편(200)은 이러한 복합재가 일정한 높이로 절단되는 구조를 갖는다. 이 때, 원통형 시편(200)의 상단과 하단은 복합재의 탄소 섬유 부분이 끊어진 상태에 있기 때문에 인장 하중에 취약하며, 하중을 가했을 때 상단과 하단에서 파단이 먼저 발생하기 때문에 정확한 인장 시험을 수행하기 힘들어진다.
본 발명에서는 원통형 시편(200)의 상단과 하단에 보강부재들(221,222)을 부착하여 이러한 현상이 발생하는 것을 방지하였다.
도 7 및 도 8은 인장 시험시 보강부재가 적용되지 않은 경우와 보강부재가 적용된 경우를 비교한 사진들이다. 도 7은 보강부재가 적용되지 않은 경우에 원통형 시편의 파단 형상을 나타낸 사진이며, 도 8은 보강부재가 적용된 경우에 원통형 시편이 파단 형상을 나타낸 사진이다.
도 7과 같이, 보강부재들(221,222)이 적용되지 않은 경우 원통형 시편의 상단과 하단에서 파단이 먼저 시작됨을 확인할 수 있다. 그리고, 도 8과 같이 보강부재들(221,222)을 적용한 경우, 원통형 시편(200)의 인장 변형시 중앙 부위에서 파단이 유도되는 것을 확인할 수 있으며, 이에 따라 원통형 시편(200)의 정확한 내압 강도를 계측할 수 있다.
이상에서는 본 발명에 관련된 인장 시험 장치 및 인장 시험 방법을 첨부한 도면들을 참조하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발 명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예와 관련된 인장 시험 장치의 사시도.
도 2는 도 1의 인장 시험 장치에서 상부 지지체를 분해한 모습을 나타내는 사시도.
도 3은 도 1에 도시된 인장 시험 장치의 단면도.
도 4는 도 2에 도시된 인장 시험 장치의 분해 사시도.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시예와 관련된 인장 시험 방법을 나타내는 평면도들.
도 6은 본 발명의 인장 시험 방법에 적용되는 원통형 시편의 단면도.
도 7 및 도 8은 인장 시험시 보강부재가 적용되지 않은 경우와 보강부재가 적용된 경우를 비교한 사진들.

Claims (12)

  1. 원통형 시편의 내주면을 지지하며, 내압의 증가에 의해 팽창되어 상기 원통형 시편에 원주 방향 하중을 가하는 팽창 튜브;
    상기 팽창 튜브의 내측 방향 팽창을 제한하도록 상기 팽창 튜브의 내주면을 지지하는 원환형 지지체; 및
    상기 팽창 튜브의 상하 방향 팽창을 제한하도록 상기 팽창 튜브의 상부 및 하부를 각각 지지하는 상부 및 하부 지지체를 포함하는 인장 시험 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 상부 지지체와 하부 지지체는 상기 원통형 시편의 상부와 하부를 각각 지지하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 인장 시험 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 원환형 지지체의 외주면에는 상기 팽창 튜브에 연결된 호스가 관통하는 수평 방향의 제1관통홀이 형성되고,
    상기 하부 지지체에는 상기 호스가 관통하는 상하 방향의 제2관통홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 인장 시험 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 상부 및 하부 지지체의 사이에 배치되며, 상기 원통형 시편의 외주면을 덮는 원환형 커버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 인장 시험 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 원환형 커버의 내주면은 상기 팽창 튜브의 팽창 공간을 확보하도록 상기 팽창 튜브의 외측 방향으로 일정 간격 이격되게 위치하는 것을 특징으로 하는 인장 시험 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 원환형 지지체와 원환형 커버는 상기 원통형 시편에 비해 0.05mm 이내의 큰 높이를 갖는 것을 특징으로 하는 인장 시험 장치.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 원환형 지지체 또는 원환형 커버의 내부에 설치되며, 상기 원통형 시편의 온도를 상승시키도록 상기 원통형 시편을 가열하는 가열 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 인장 시험 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 팽창 튜브와 상기 원통형 시편의 사이에 배치되며, 상기 팽창 튜브의 팽창시 상기 팽창 튜브를 보호하는 보호 밴드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 인장 시험 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 팽창 튜브의 팽창시 상기 상부 및 하부 지지체가 상하로 이동하는 것을 방지하도록 상기 상부 및 하부 지지체를 상기 원환형 지지체에 체결시키는 체결부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 인장 시험 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 원통형 시편의 상단과 하단에 부착되며, 상기 원통형 시편의 상단 및 하단에서 파단이 시작되는 것을 방지하는 보강 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 인장 시험 장치.
  11. 내압의 증가에 의해 팽창 가능한 팽창 튜브로 원통형 시편의 내주면을 지지하는 단계; 및
    상기 팽창 튜브를 팽창시켜 상기 원통형 시편에 원주 방향 하중을 가하는 단계를 포함하고,
    상기 팽창튜브는 내주면에 배치된 원환형 지지체에 의해 내주면 방향 팽창이 제한되며, 상부 및 하부에 배치된 상부 및 하부 지지체에 의해 상하 방향 팽창이 제한되는 것을 특징으로 인장 시험 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 원환형 지지체의 내부에 배치된 가열 장치를 작동시켜 상기 원통형 시편을 가열하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 인장 시험 방법.
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