KR20160047871A - 실험용 챔버 및 이를 포함하는 실험 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 체결공이 형성된 실험용 시편의 양측에 설치되어, 실험 중 시편의 일부 또는 전체가 유체에 노출되도록 유체가 수용되는 공간을 형성하는 케이스, 체결공과 대응되는 형상으로 케이스에 관통 형성되며, 하중 인가 실험 장치의 로드가 시편의 체결공에 설치되는 경로를 형성하는 관통구, 케이스의 내벽 중 관통구가 형성되는 내벽에 설치되며, 실험용 시편 설치시 실험용 시편과 내벽 사이로 유체가 누출되는 것을 차단하는 복수의 제1 밀폐부재를 포함하는 실험용 챔버 및 이를 포함하는 실험 장치가 제공된다.
본 발명에 따른 실험용 챔버 및 이를 포함하는 실험장치를 사용하면 항공유, 염분 등의 운용환경 하에서 재료의 물성 자료를 얻을 수 있으며, 이를 이용하여 설계된 제품의 신뢰도를 높일 수 있는 효과가 있다.

Description

실험용 챔버 및 이를 포함하는 실험 장치{A TESTING CHAMBER AND THE APPARATUS COMPRISING THAT}
본 발명은 실험용 챔버 및 이를 포함하는 실험 장치, 보다 상세하게는 하중 인가 실험에 사용되는 챔버 및 이를 포함하는 실험장치에 관한 것이다.
재료의 물적 특성 중, 인장강도, 반복하중에 의한 피로파괴, 균열성장 등으로 부터 알 수 있는 재료에 대한 특성은 장비의 수명예측 및 설계에 있어 매우 중요한 비중을 차지하는 요소이다.
특히 기계장비의 경우, 신뢰도가 확보된 재료의 물적 특성을 바탕으로 부품의 손상여부 또는 수명 등을 예측하고, 교체주기를 선정하는 등, 부품의 손상으로 인한 다른 장비의 손상을 방지하고 지속적인 운영이 가능하도록 설계해야 한다. 이와 같이 재료의 물적 특성 자료는 장비의 설계에서부터 운용에 이르기까지 폭넓게 사용되고 있다.
이러한 재료의 물적 특성에 대한 데이터를 획득하는 방법은 다양하게 알려져 있으며, 일반적으로 ASTM(American Society for Testing and Materials; 미국실험재료학회)에 제시된 표준 실험방법을 사용하여 재료의 물적 특성을 획득하여 신뢰도를 확보하게 된다. 주로 부품의 재료를 규격에 맞는 크기로 가공하여 다양한 하중을 인가하거나, 반복적인 하중을 인가하여 물성 자료를 얻는 방법이 많이 활용되고 있다.
이와 관련하여"대한민국 등록특허 10-1271933호"에는 "피로 실험기를 이용한 용접구조물의 피로 특성 평가방법"에 대한 기술이 개시되어 있으나, 단순히 가해지는 하중에 의한 물성 자료만을 구하고, 재료가 노출된 운용환경을 고려한 물적 특성을 확보하지 못하는 문제점이 있다.
대한민국 등록특허 10-1271933호
본 발명은 종래의 문제점인 재료의 운용환경 하에서 물성 자료를 얻을 수 없는 문제점을 해결하는 실험용 챔버 및 이를 포함하는 실험 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 과제의 해결 수단은, 본 발명에 따라, 체결공이 형성된 실험용 시편의 양측에 설치되어, 실험 중 시편의 일부 또는 전체가 유체에 노출되도록 유체가 수용되는 공간을 형성하는 케이스, 체결공과 대응되는 형상으로 케이스에 관통 형성되며, 하중 인가 실험 장치의 로드가 시편의 체결공에 설치되는 경로를 형성하는 관통구, 케이스의 내벽 중 관통구가 형성되는 내벽에 설치되며, 실험용 시편 설치시 실험용 시편과 내벽 사이로 유체가 누출되는 것을 차단하는 복수의 제1 밀폐부재를 포함하는 실험용 챔버가 제공된다.
이때, 케이스는 제1 케이스 및 제2 케이스로 구성되고, 제1 케이스와 제1 케이스를 결합하는 체결부, 제1 케이스와 제2 케이스의 결합면에 구비되는 제2 밀폐부재를 더 포함하여 구성될 수 있다.
나아가, 케이스는, 체결부의 체결압력을 조절하여 제1 밀폐부재의 밀폐압력을 조절할 수 있도록 구성될 수 있다.
그리고, 제1 밀폐부재는 오링(O-ring)이며, 제1 케이스 및 제2 케이스의 내벽에는 오링이 위치하는 그루브가 형성될 수 있다.
또한, 케이스에 구비되며, 챔버에 수용된 유체를 챔버 외부와 순환시킬 수 있도록, 유관을 연결할 수 있는 커넥터를 더 포함하여 구성될 수 있다.
이때, 챔버의 소재는 유체에 대한 내부식성 소재로 구성될 수 있으며, 구체적으로 아크릴 소재로 구성될 수 있다.
한편, 실험용 챔버는, 시편의 각 지점에서의 전압 또는 전류를 측정하기 위한 복수의 도선이 케이스를 통과하도록 도선연결부가 구비될 수 있으며, 구체적으로, 도선은 시편의 두 지점의 전압을 측정하기 위한 도선과 두 지점의 전류를 측정하기 위한 도선이 통과하도록 4개의 도선연결부가 구비될 수 있다.
나아가, 챔버는, 내측에 ASTM E647에 제시된 규격의 시편을 설치 할 수 있도록 구성될 수 있다.
추가적으로, 본 발명에 따라, 체결공이 형성된 실험용 시편과 체결되는 로드, 로드와 연결되며, 하중을 발생시키는 액츄에이터, 실험환경을 조성하는 챔버를 포함하여 구성되며, 전술한 챔버를 포함하여 구성되는 실험 장치가 제공된다.
또한, 본 장치는, 수용된 유체를 저장 및 챔버에 공급하는 유체저장부, 유체를 순환시키는 유체순환부, 커넥터, 유체저장부 및 유체순환부를 연결하는 유관을 더 포함하여 구성될 수 있다.
이때, 커넥터, 유제처장부, 유체순환부의 소재는 유체에 대한 내부식성 소재로 구성될 수 있다.
나아가, 하중을 반복적으로 부여하여 손상허용해석 실험을 수행하도록 구성될 수 있다.
이때, 챔버의 외측에 구비되며, 시편의 각 지점의 전류 또는 전압을 측정하기 위한 측정부, 케이스를 관통하며, 시편의 각 지점과 측정부를 연결하기 위한 도선을 더 포함하여 구성될 수 있으며, 구체적으로, 측정부는 직류전위차법을 이용하기 위한 DCPD System으로 구성될 수 있다.
나아가, 시편의 소재 및 규격, 반복 하중의 크기, DCPD 수행방법, 회기분석은 ASTM E647에 근거하여 수행될 수 있도록 구성될 수 있다.
이상에서의 유체는 항공유가 될 수 있다.
본 발명에 따른 실험용 챔버 및 이를 포함하는 실험장치를 사용하면 항공유, 염분 등의 운용환경 하에서 재료의 물성 자료를 얻을 수 있으며, 이를 이용하여 설계된 제품의 신뢰도를 높일 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 실험 장치의 정면도이다.
도 2는 제1 실시예에서 시편 및 챔버 설치 부분을 확대하여 도시한 확대도이다.
도 3은 제1 실시예의 챔버 및 시편의 분해사시도이다.
도 4는 도 2의 A-A'의 단면도이다.
도 5는 본 발명으로부터 확보한 물적 특성을 이용하여 도출된 하한균열성장계수의 값을 도시한 그래프이다.
이하, 본 발명의 실시 예에 따른 실험용 챔버 및 이를 포함하는 실험장치에 대하여, 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 그리고 이하의 실시예의 설명에서 각각의 구성요소의 명칭은 당업계에서 다른 명칭으로 호칭될 수 있다. 그러나 이들의 기능적 유사성 및 동일성이 있다면 변형된 실시예를 채용하더라도 균등한 구성으로 볼 수 있다. 또한 각각의 구성요소에 부가된 부호는 설명의 편의를 위하여 기재된다. 그러나 이들 부호가 기재된 도면상의 도시 내용이 각각의 구성요소를 도면내의 범위로 한정하지 않는다. 마찬가지로 도면상의 구성을 일부 변형한 실시예가 채용되더라도 기능적 유사성 및 동일성이 있다면 균등한 구성으로 볼 수 있다. 또한 당해 기술분야의 일반적인 기술자 수준에 비추어 보아, 당연히 포함되어야 할 구성요소로 인정되는 경우, 이에 대하여는 설명을 생략한다.
이하에서는 도 1 내지 도 4를 참조하여 본 발명에 따른 챔버(100) 및 이를 포함하는 실험 장치에 대하여 상세히 설명한다. 다만, 널리 사용되고 있는 장치의 필수적이고 기본적인 구성요소에 대하여는 자세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 실험 장치의 정면도이며, 도 2는 제1 실시예에서 시편(s) 및 챔버(100) 설치 부분을 확대하여 도시한 확대도이다. 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 실험 장치는, 챔버(100), 액츄에이터(미도시), 로드, 유체저장부(210), 유체순환부(220), 유관(230), 도선(310), DCPD system(300)이 포함하여 구성되며, 챔버(100) 및 시편(s)은 상부로드(11) 및 하부로드(12)의 마주보는 끝단에 고정되며, 이는 단발적으로 시편(s)에 하중을 인가하거나, 또는 반복적으로 시편(s)에 하중을 인가하기 위한 기본적 구성이다.
도시된 실험 장치는 수직형 실험 장치를 예로 들고 있으며, 그 구성을 살펴보면, 상부 구조물과 하부 구조물이 구성되어 있으며, 장치의 작동에 필요한 여러 장비들이 배치될 수 있는 공간을 제공하며, 장치의 전체적인 외형을 구성한다.
지지봉(14)은 상부구조물(21)과 하부구조물(22)을 연결하며 상부구조물(21)을 지지하도록 구성된다. 두 개의 지지봉(14)이 상부구조물(21)과 하부구조물(22)에 연결되어 있는 구성이 도시되어 있으며, 상부구조물(21)과 하부구조물(22)은 실험에 필요한 공간을 제공하도록 적정한 수준의 이격 거리를 두고 배치될 수 있다. 다만, 이와 같은 지지봉(14)의 개수, 상부구조물(21) 및 하부구조물(22)과의 연결 관계는 일 예일 뿐 다양하게 구성될 수 있다.
액츄에이터(미도시)는 상부구조물(21) 또는 하부구조물(22) 내측에 구비하며, 되며, 실험에 필요한 하중을 발생시킨다. 구동방식은 전기, 공압, 유체, 기계식 등 다양한 방식으로 구현될 수 있다.
로드는 실험용 시편(s)을 고정하며, 시편(s)에 하중을 전달하며, 상부로드(11)와 하부로드(12)로 구성될 수 있다. 상부로드(11)는 상부구조물(21)에 체결되어 있고, 하부로드(12)는 하부구조물(22)과 체결되어 있으며, 상부로드(11) 및 하부로드(12)가 수직방향으로 동일한 축상에 배치된다. 상부로드(11) 및 하부로드(12)의 마주보는 끝단은 클래비스(Clevis) 구조로 이루어지며, 클래비스 끝단에 수평방향으로 구멍이 형성되며, 시편(s)에 형성된 체결공과 클래비스 끝단의 관통된 구멍에 체결핀(13)을 체결하여 시편(s)의 상부 및 하부를 고정시킬 수 있도록 구성된다. 한편, 이와 같은 하중인가 실험장치의 구성요소는 널리 사용되고 있는 구성이므로 자세한 설명은 생략한다.
챔버(100)는 실험 중 시편(s)의 일부 또는 전체가 유체(f)에 노출되도록 유체(f)가 수용되는 공간을 형성하도록 구성된다. 챔버(100)는 시편(s)을 유체(f)에 노출시켜 실험진행시 실험장치에 의한 영향을 제거하기 위하여 실험장치의 로드 등의 구성요소는 유체에 노출되지 않도록 구성된다. 챔버(100)의 구조와 시편(s)과의 결합관계 등은 차후 상세히 설명하도록 한다.
유체저장부(210)는 챔버(100)에 수용되는 유체(f)를 저장하는 구성이다. 유체저장부(210)는 일반적인 유체(f)를 저장하는 용기 또는 내부에 공간을 구비한 다양한 구조로 구현될 수 있다. 유체저장부(210)는 실험도중 유체(f)의 교체가 용이하도록 장치에서 분리가능하게 구비될 수 있다. 한편, 유체저장부(210)는 외부로부터 오염을 방지하기 위해 밀폐된 수용공간이 구비되는 것이 바람직하다.
유체순환부(220)는 챔버(100)에 수용되는 유체(f)를 순환시키는 구성이다. 일반적인 유체송출펌프로 구성될 수 있으며, 펌프에 동력을 전달하는 모터 및 이에 전원을 공급하는 전원공급부가 구비된다. 시편(s)을 유체(f)에 노출된 환경을 모사하여 시험을 진행함에 있어, 시편(s)의 부식생성물 및 불순물의 영향을 최소화하도록 유체(f)를 순환시키도록 구성된다. 유체순환부(220)에 의한 유체(f) 송출량은 원하는 실험조건에 따라 다양하게 설정하여 순환시킬 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다.
유관(230)은 유체저장부(210), 유체순환부(220), 및 이하 기술할 챔버(100)에 구비된 커넥터(140)와 연결되어 하나의 폐쇄된 유체(f)의 경로를 형성한다. 유관(230)의 각 끝단에는 유체저장부(210), 유체순환부(220) 등에 연결이 용이하도록 별도의 커넥터(140)가 구비될 수 있다.
전술한 유체저장부(210), 유체순환부(220), 유관(230)의 재질은 다양하게 구성될 수 있으나, 순환되는 유체(f)의 종류에 따라서, 유체에 대한 내부식성을 갖는 소재로 구성되는 것이 바람직하다. 또한 투광성 소재로 구성되어, 유체순환에 대한 시각적 정보를 제공할 수 있도록 구성될 수 있다.
DCPD(Direct Current Potential Drop; 직류전위차) system 은 시편(s)의 각 지점에서 측정된 전류 또는 전압 값을 측정하고, 이로부터 하중인가에 의한 크랙(Crack)의 성장량을 도출하기 위한 구성이다. 도선(310)은 시편(s)의 각 지점에서 전압 및 전류 값을 측정할 수 있도록 시편(s)과 DCPD system(300)에 연결된다. 이때 시편(s)과 도선(310)이 연결되는 지점은 ASTM E647에 근거하여 정해질 수 있으며, 시편(s)의 노치(Notch)를 기준으로 상측 및 하측에 연결될 수 있다. 한편 챔버(100) 내측의 도선(310)은 유체(f)에 노출되어 있어 부식이 발생할 수 있으므로, 부식을 방지하기 위하여 전도성 에폭시를 도포할 수 있다.
이하에서는 챔버(100)의 구조에 대하여 도 3내지 도4를 참조하여 상세히 설명한다. 도 3은 제1 실시예의 챔버(100) 부분 만을 나타낸 사시도이고, 도 4는 도 2의 A-A'의 단면도이다.
도시된 바와 같이, 챔버(100)는 제1 케이스(111), 제2 케이스(112), 케이스에 형성된 관통구(113), 제1 밀폐부재(120), 제2 밀폐부재(130), 체결부(160), 커넥터(140), 도선연결부(150)를 포함하여 구성될 수 있다.
제1 케이스(111) 및 제2 케이스(112)는 시편(s)의 양측에 설치되어, 실험 중 시편(s)의 일부 또는 전체가 유체(f)에 노출되도록 유체(f)가 수용되는 공간을 형성하도록 구성된다. 제1 케이스(111)는 내측에 공간이 형성된 용기형태로 구성되며, 제2 케이스(112)는 덮개의 형상으로 제1 케이스(111)와 결합되어 내측에 유체(f)가 수용되는 공간을 형성하게 된다. 이와같이 구성된 경우, 시편(s)을 챔버(100)에 용이하게 설치할 수 있으며, 후술할 커넥터(140) 또는 도선연결부(150)가 제2 케이스(112)와 무관하게 제1 케이스(111)의 측면에 고정설치 될 수 있어, 이에 대한 별도의 실링과정을 생략할 수 있다.
제1 케이스(111) 및 제2 케이스(112)의 내벽 중 관통구(113) 주변은 시편 측으로 다소 돌출되어 있는 구조가 형성되어 있다. 이는, 제1 케이스 및 제2 케이스가 시편(s)과 결합할 때 제1 밀폐부재(120)에 압축력을 용이하게 전달하도록 구성된다. 다만 이러한 제1 케이스(111) 및 제2 케이스(112)의 형상 및 돌출부분의 구성은 도시된 형상에 한정하지 않으며 내부에 공간을 구성할 수 있는 구성이라면 다양하게 변형되어 적용이 가능하다.
제1 케이스(111) 및 제2 케이스(112)에는 관통구(113)가 형성되며, 관통구(113)는 시편(s)의 체결공에 대응하는 위치에 형성된다. 그리고 전술한 상부로드(11) 또는 하부로드(12)가 시편(s)의 체결공에 설치되는 경로를 형성한다. 제1 케이스(111), 제2 케이스(112)의 관통구(113) 및 시편(s)의 체결공으로 하나의 체결핀(13)이 삽입되어 로드에 체결되도록 구성된다. 또한 체결공에 인접한 위치에 유체수용 공간 주변을 둘러 그루브가 형성되어 제2 밀폐부재가 배치되도록 구성된다.
관통구(113) 및 체결공의 형상은, 시편(s)과 로드를 연결하는 체결핀(13)의 형상에 대응하여 원형으로 형성된다. 다만 관통구(113) 및 체결공의 형상은 체결핀(13)의 형상에 따라 다양한 형상으로 구성될 수 있다.
관통구(113)의 내경은 시편(s)의 체결공보다 다소 크게 형성되어, 로드로부터 인가받은 하중이 체결핀(13)과 시편(s)에 전달될 때, 케이스에 의한 간섭을 방지하도록 구성된다.
제1 밀폐부재(120)는 제1 케이스(111) 및 제2 케이스(112)의 내벽 중 관통구(113)가 형성되는 내벽에 설치되며, 실험용 시편(s) 설치시 실험용 시편(s)과 내벽 사이로 유체(f)가 누출되는 것을 차단하도록 구성된다. 본 실시예에서는 제1 밀폐부재(120)는 오링(O-ring)으로 구성되어 있으며, 제1 케이스(111) 및 제2 케이스(112)의 내벽에는 오링(O-ring)의 형상에 대응하는 그루브가 형성되어, 오링(O-ring)이 정해진 위치에서 이탈하지 않도록 구성된다.
제2 밀폐부재(130)는 제1 케이스(111) 및 제2 케이스(112)의 결합부분의 사이에 구비되며, 제1 케이스(111) 및 제2 케이스(112) 결합시, 내측에 수용된 유체(f)가 제1 케이스(111) 및 제2 케이스(112)의 결합부분으로 누출되는 것을 방지하도록 구성된다. 본 실시예서 제2 밀폐부재(130)는 O-ring의 형상으로 제1 케이스 및 제2 케이스의 유체수용공간 주변을 연속적으로 실링(sealing)하도록 구성된다.
제1 밀폐부재(120) 및 제2 밀폐부재(130)의 재질은 일반적인 실링(sealing)용 부재로 다소 탄성이 있는 부재로 구성될 수 있으며, 케이스에 수용되는 유체(f)의 종류에 따라 부식에 내성을 갖는 소재로 구성될 수 있다.
체결부(160)는 제1 케이스(111) 및 제2 케이스(112)를 결합 및 고정시키며, 본 실시예에서는 일측의 케이스에 암나사산을 가공하고, 타측의 케이스로부터 볼트가 체결되도록 구성된다. 체결부(160)는 결합부위를 따라 양 케이스의 둘레를 따라 복수로 구비되어 케이스에 수용된 유체(f)의 누출을 방지하도록 구성된다. 다만 이와같은 구성은 일 예로써 다양한 체결방법으로 적용이 가능하다.
커넥터(140)는 수용된 유체(f)를 순환시키기 위한 통로로서 챔버(100)외측에 구비된 유체순환부(220), 유체저장부(210)와 연결된다. 커넥터(140)는 제1 케이스(111)의 벽을 관통하며 형성된 홈에 연결되며, 유체공급용 커넥터(140) 및 유체회수용 커넥터(140)로 구성된다. 커넥터(140)가 챔버(100)와 연결되는 위치는 챔버(100)가 실험장치에 설치되었을 때, 공급된 유체(f)가 자연스럽게 순환될 수 있도록 유체공급용 커넥터(140)는 다소 높은 부분과 연결되고, 유체회수용 커넥터(140)는 챔버(100)의 가장 낮은 부분과 연결된다. 다만, 이와같은 구성과 연결은 일 예일뿐 다양하게 변형이 가능하다.
도선연결부(150)는 전술한 도선(310)이 챔버(100)를 통과하는 경로가 된다. 본 실시예에는 각각 다른지점에서 전압 및 전류를 측정하기 위하여 4개의 도선연결부(150)가 구비되어 있다. 도선연결부(150)는, 제1 케이스(111)에 형성될 수 있으며, 도선(310)이 통과하도록 구성되나, 수용된 유체(f)가 도선연결부(150)로 누출되지 않도록 적절한 실링수단이 구비될 수 있다. 다만 이와같은 도선연결부(150)의 개수 및 구성은 다양하게 변형되어 적용이 가능하다.
이하에서는 도 4를 참조하여 시편(s)과 챔버(100), 로드 등의 결합관계에 대하여 상세하게 설명한다. 도 4는 제1 실시예의 시편(s)과 챔버(100)가 체결된 상태의 단면을 확대하여 도시한 확대단면도이다.
도시된 바와 같이, 중심부에 형성된 체결공에 체결핀(13)이 체결되어있다. 설치된 시편(s)의 양측으로 제1 케이스(111) 및 제2 케이스(112)가 시편(s)을 감싸고 있다. 시편(s)과 각 케이스의 내벽과는 일정한 유격이 형성되어 있으며, 그 사이에 시험환경을 모사하는 유체(f)가 수용되어 있다.
제1 밀폐부재(120)는 케이스의 내벽 중 관통구(113)가 형성되는 내벽에 설치되며, 실험용 시편(s) 설치시 실험용 시편(s)과 제1 케이스(111) 및 제2 케이스(112)의 내벽 사이로 유체(f)가 누출되는 것을 차단하도록 오링(O-ring)으로 구성된다. 제1 밀폐부재(120)의 두께는 시편(s)과 챔버(100)를 결합한 경우, 챔버(100)의 내벽 중 관통구(113)가 형성된 내벽과 시편(s)과의 유격보다 다소 두껍게 구성될 수 있다.
이때, 체결부(160)의 체결양을 조절하여, 예를들면 볼트를 더 조일수록 시편(s)과 케이스의 내벽의 거리가 좁아지게 되며, 이때 제1 밀폐부재(120)에 가해지는 압력이 높아지므로 더욱 강하게 밀폐된다. 이와 같이, 체결부(160)는 제1 케이스(111) 및 제2 케이스(112)를 결합할 뿐 아니라. 필요에 따라 체결부(160)를 조절하여 제1 밀폐부재(120)에 가해지는 밀폐압력을 조절하여 체결하기 위한 구성이 된다.
또한, 제1 밀폐부재(120)의 밀폐압력을 제공하는 일측은 시편(s)의 일면이므로, 시편(s)에 반복하중이 인가될 때, 하중에 의한 시편(s)의 미세한 움직임에 따라 힘이 가해질 수 있으며, 이를 고려하여, 제1 밀폐부재(120)의 밀폐압력은 실험 중 유체(f)의 누출을 방지하는 압력을 최소로 하여야 한다. 반대로 밀폐압력이 너무 커지면 시편 자체에 응력이 발생하게 되며, 실험결과에 오차가 발생하게 되므로, 이러한 영향이 없는 압력을 제1 밀폐부재의 밀폐압력의 최대 값으로 하여야 한다.
일 예로, 시편이 ASTM E647에 제시된 크기로 하여, 두께가 11mm로 제작된 경우, 제1 케이스의 단면두께를 6.6mm, 제2 케이스의 단면두께를 11.2mm라 하면, 시편(s)의 일면과 각 케이스의 내벽까지의 거리는 각각 0.6mm 가 되며, 제1 밀폐부재는 직경 3mm의 오링(O-ring)이 구비되며, 이때의 체결부의 체결토크는 50kgf*cm 이하로 체결되어 실험에 영향을 주지 않으면서, 유체의 누출을 방지할 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 실험장치를 이용하여, 다양한 유체환경 분위기를 조성하여 파괴인성실험(Plane-Strain Fracture toughness,KIc, test), 또는 반복하중인가를 통한 피로균열성장실험(Fatigue crack growth test) 등 을 수행할 수 있다.
이하에서는 도 5를 참조하여 본 실험장치를 이용하여 항공유의 유체분위기에서 물성 자료를 얻는 일 예를 기술한다. 도 5는 본 발명으로부터 확보한 물적 특성을 이용하여 도출된 하한균열성장계수의 값을 도시한 그래프이다.
본 실험장치를 이용하여 파괴인성실험(Plane-Strain Fracture toughness,KIc, test), 또는 반복하중인가를 통한 피로균열성장실험(Fatigue crack growth test) 등 수행할 때, ASTM E647(Standard Test Method for Measurement of Fatigue Crack Growth Rates) 및 ASTM E399(Standard Test Method for Plane-Strain Fracture Toughness of Metallic Materials)에 근거하여 시편(s)을 선정할 수 있고, 또한 실험을 진행할 수 있다.
다시 도3을 살펴보면, 실험에 사용되는 시편(s)의 형상은 ASTM E399에 근거하여 노치(Notch)를 포함하며, 노치의 상부 및 하부에 체결공이 구비된 형상으로 가공되며, 시편(s)의 재질은 석출경화계 내식강인 AMS 5629(PH13-8Mo) 합금으로 구성된다. 또한, 시편(s)에는 도선(310)을 연결할 수 있도록, 노치를 기준으로 상부에 2곳, 하부에 2곳에 탭 가공을 수행한다. 챔버(100)는 시편(s)의 크기에 대응하여, 시편(s)이 내측에 설치되도록 구성된다. 제1 케이스(111)와 제2 케이스(112)의 사이에 시편(s)을 설치하고, 챔버(100)를 통과한 4개의 도선(310)을 시편(s)의 각지점에 연결하며, 도선(310)의 연료부식을 방지하기 위하여 챔버(100) 내부에서 위치하는 도선(310)부분에 전도성 에폭시를 도포한다. 이후 체결부(160)를 체결하여 제1 케이스(111) 및 제2 케이스(112)를 결합하며, 오링이 시편(s)과 챔버(100)의 내벽 중 관통구(113)가 형성된 내벽과 밀착되도록 체결부(160)를 체결량을 조절한다.
이후 챔버(100)와 시편(s)을 상부로드(11) 및 하부로드(12)와 체결하기 위해, 챔버(100)의 케이스에 형성된 관통구(113) 및 시편(s)의 체결공에 체결핀(13)을 통과시켜 체결한다.
한편, 챔버(100)에 수용되는 유체(f)는 항공유이며, JP-8을 사용한다. 수용된 JP-8은 유체순환부(220)에 의해, 챔버(100), 유체저장부(210), 유체순환부(220)를 통과하며 순환된다. 이때 JP-8은 시편(s)과 상호작용으로 생성된 부식생성물 등이 시편(s)에 미치는 영향을 최소화하기 위하여 3일에 1회씩 교체한다.
이때, 유체(f)와 접촉하는 각 구성요소의 재질은 JP-8에 의한 부식을 방지하기 위하여, 내성이 있는 소재로 구성되며, 챔버(100)는 아크릴 재질, 유체저장부(210)는 유리재질로 구성된다.
이후, 피로균열성장실험(Fatigue crack growth test)을 수행하며, 피로균열성장 속도 측정을 위하여 DCPD system(300)을 이용한다.
이때, 균열 성장에 따른 전압차이와의 관계식은 V/Vo = 0.5766+1.9169(a/w)-1.0712(a/w)2+1.6898(a/w)3 (a : Crack Length, V : Measured Potential, Vo: Initial Potential Corresponding to a/w=0.241, W : Specimen Width) 을 활용하여 균열성장을 측정한다.
한편, 초기 피로 균열 생성 후 소성 변형 영향을 최소화하기 위해서 응력확대계수범위 감소 기법을 사용하여 da/dN을 1.93*10-9m/cycle까지 구한 후 응력확대계수 증가 기법을 사용해서 1*10-6m/cycle까지 시험을 진행한다. 도 5는 시편의 두께를 0.5in로 구성한 경우의 실험 결과 값을 나타낸 그래프이다.
그리고, ASTM E647에서 규정한 하한계응력확대계수범위의 운용 정의(Operation Definition)를 확인하기 위해서 da/dN이 10-9m/cycle 이하인 데이터 포인트 중 5개의 점을 등 간격으로 선정하여 정규성 검정 및 회귀 분석을 수행한다.
분석 결과 석출경화계 내식강의 연료 환경 하에서의 하한계응력확대계수범위(ΔKth)는 5.94
Figure pat00001
임을 확인할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 실험용 챔버 및 이를 포함하는 실험 장치는 특수한 환경 분위기에서 재료의 물적 특성에 대한 데이터 구축의 기반을 제공하며, 이러한 데이터를 이용하여 정규성 검정과 회기분석 등의 통계적 처리를 통하여 데이터 분석을 할 수 있게 되어, 특수한 환경에서 적용되는 물성자료, 일 예로, 고성능 항공기 개발 시 적용되는 손상허용해석에 관한 물성자료 등을 확보할 수 있는 효과가 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적인 특징들이 변경되지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것으로 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
s: 시편 f: 유체
11: 상부로드 12: 하부로드 13: 체결핀 14: 지지봉
21: 상부구조물 22: 하부구조물
100: 챔버
111: 제1 케이스 112: 제2 케이스 113: 관통구
120: 제1 밀폐부재 130: 제2 밀폐부재
140: 커텍터 150: 도선연결부
160: 체결부 210: 유체저장부 220: 유체순환부
230: 유관 300: DCPD system 310: 도선

Claims (10)

  1. 체결공이 형성된 실험용 시편의 양측에 설치되어, 실험 중 상기 시편의 일부 또는 전체가 유체에 노출되도록 상기 유체가 수용되는 공간을 형성하는 케이스;
    상기 체결공과 대응되는 형상으로 상기 케이스에 관통 형성되며, 하중 인가 실험 장치의 로드가 상기 시편의 체결공에 설치되는 경로를 형성하는 관통구; 및
    상기 케이스의 내벽 중 상기 관통구가 형성되는 내벽에 설치되며, 상기 실험용 시편 설치시 상기 실험용 시편과 상기 내벽 사이로 상기 유체가 누출되는 것을 차단하는 복수의 제1 밀폐부재를 포함하는 실험용 챔버.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 케이스는,
    제1 케이스 및 제2 케이스로 구성되며,
    상기 제1 케이스와 상기 제1 케이스를 결합하는 체결부 및 상기 제1 케이스와 상기 제2 케이스의 결합면에 구비되는 제2 밀폐부재를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 실험용 챔버.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 케이스는,
    상기 체결부의 체결압력을 조절하여 상기 제1 밀폐부재의 밀폐압력을 조절할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 실험용 챔버.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 시편의 각 지점에서의 전압 또는 전류를 측정하기 위한 복수의 도선이 케이스를 통과하도록 구성된 도선연결부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실험용 챔버.
  5. 실험용 시편의 체결공에 체결되는 로드;
    상기 로드와 연결되며, 하중을 발생시키는 액츄에이터; 및
    실험환경을 조성하는 챔버를 포함하여 구성되며,
    상기 챔버는,
    상기 체결공이 형성된 상기 실험용 시편의 양측에 설치되어, 실험 중 상기 시편의 일부 또는 전체가 유체에 노출되도록 상기 유체가 수용되는 공간을 형성하는 케이스,
    상기 체결공과 대응되는 형상으로 상기 케이스에 관통 형성되며, 상기 로드가 상기 시편의 체결공에 설치되는 경로를 형성하는 관통구,
    상기 케이스의 내벽 중 상기 관통구가 형성되는 내벽에 설치되어, 상기 실험용 시편 설치시 상기 실험용 시편과 상기 내벽 사이로 상기 유체가 누출되는 것을 차단하는 제1 밀폐부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 실험 장치.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 챔버에 구비되며, 수용된 유체가 외부와 순환되도록 유관과 연결가능하게 구성되는 커넥터;
    수용된 상기 유체를 저장 및 상기 챔버에 공급하는 유체저장부;
    상기 유체를 순환시키는 유체순환부; 및
    상기 커넥터, 상기 유체저장부 및 상기 유체순환부를 연결하는 유관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실험 장치.
  7. 제5 항에 있어서, 상기 챔버의 외측에 구비되며, 상기 시편의 각 지점의 전류 또는 전압을 측정하기 위한 측정부;
    상기 케이스에 구비된 도선연결부를 통해 상기 챔버를 통과하며, 상기 시편의 각 지점과 상기 측정부에 연결되는 도선을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 실험장치.
  8. 제 5항에 있어서,
    상기 유체는 항공유이며,
    상기 챔버, 상기 유체저장부, 상기 유체순환부, 상기 유관은 항공유에 대한 내부식성 소재로 구성된 것을 특징으로 하는 실험 장치.
  9. 제5 항에 있어서,
    상기 실험장치는,
    상기 하중을 반복적으로 부여하여 손상허용해석 실험을 수행하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 실험 장치.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 실험 장치는,
    상기 시편의 소재 및 규격, 반복 하중의 크기, DCPD 수행방법, 회귀분석은 ASTM E647에 근거하여 수행될 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 실험 장치.
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