KR20210125665A - Fatigue Test System of Materials Using Vibration Tester - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 소재의 피로 시험 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 진동 시험기에 시편을 장착한 후 진동을 가하여 소재의 피로 수명을 측정하는 소재의 피로 시험 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a fatigue test system for a material, and more particularly, to a fatigue test system for a material that measures the fatigue life of a material by applying vibration after mounting a specimen in a vibration tester.
소재의 피로 물성은 제품의 피로 수명을 예측하는 데 필수적인 정보이다. 새로운 소재가 끊임없이 개발되고 있는 현대의 산업 환경에서 신소재의 적용 가능성을 사전에 확인하기 위해서는 소재의 피로 물성을 알아야 하며 특히 자동차나 비행기 등과 같은 운송 수단이나 반복적인 하중에 노출되는 제품들은 개발 과정에서 피로 수명에 관한 연구를 반드시 진행해야 하며, 소재의 피로 수명을 확인하기 해 해당 소재로 만들어진 시편을 반복적으로 인장하고 압축하여 피로 수명을 예측하는 시험이 이용되고 있다.Fatigue properties of materials are essential information for predicting fatigue life of products. In the modern industrial environment where new materials are constantly being developed, in order to check the applicability of new materials in advance, it is necessary to know the fatigue properties of the materials. A study on the lifespan must be carried out, and in order to check the fatigue life of the material, a test that predicts the fatigue life by repeatedly stretching and compressing a specimen made of the material is used.
상술한 종래의 피로 시험은 도그 본(dog bone) 형태의 시편을 피로 시험을 수행하는 장치에 장착하고, 시편에 반복적으로 인장-압축 하중을 가하며, 시편이 파괴될 때까지 반복 횟수를 측정하여 작성된 한 S-N 선도로 표현된다. 종래의 피로 시험은 하나의 시편을 피로 시험을 수행하는 장치에 장착하고, 시험 조건에 따라 시편이 파괴될 때까지 반복적인 인장-압축 하중을 가한다. 이때, 반복 횟수는 적게는 1000회, 많게는 100,000회에 이르기 때문에 하나의 시편에 대한 피로 시험을 진행하는 데에 많은 시간과 비용이 소요된다. 또한, 기계나 구조물에 설계에 반영 가능할 만큼 유의미한 S-N 선도를 작성하기 위해서는 다양한 시험 조건으로 시험을 진행해야 하고, 시험 결과의 신뢰성을 높이기 위해서 동일한 시험 조건에서 여러 번의 시험을 시행해야 하기 때문에 하나의 소재의 S-N 선도를 그리기 위해서는 많은 시간이 소요된다는 문제점이 있다.The above-described conventional fatigue test is prepared by mounting a dog bone-shaped specimen in an apparatus for performing a fatigue test, repeatedly applying a tensile-compressive load to the specimen, and measuring the number of repetitions until the specimen is destroyed. It is represented by one SN diagram. In the conventional fatigue test, one specimen is mounted in a device for performing the fatigue test, and repeated tensile-compression loads are applied until the specimen is destroyed according to the test conditions. At this time, since the number of repetitions is as low as 1000 times and as high as 100,000 times, it takes a lot of time and money to perform a fatigue test on one specimen. In addition, in order to create a meaningful SN diagram that can be reflected in the design of a machine or structure, tests must be conducted under various test conditions, and multiple tests must be performed under the same test conditions to increase the reliability of test results. There is a problem that it takes a lot of time to draw the SN diagram of .
상기한 문제점을 해결하기 위해 복수 개의 시편을 피로 시험 수행 장치에 장착한 후 인장-압축 하중을 가할 수 있으나, 복수 개의 시편 중 하나의 시편이 파단될 경우에는 시편이 받는 하중이 일정해지지 않기 때문에 정확한 S-N 선도를 취득할 수 없다는 문제점이 있다. In order to solve the above problem, a tensile-compressive load can be applied after a plurality of specimens are mounted in a fatigue test performing apparatus. There is a problem that the SN diagram cannot be obtained.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은, 복수 개의 시편을 진동 시험 장치에 장착한 후 진동을 발생시켜 시편이 진동하도록 하는 피로 시험 시스템을 제공함에 있으며, 진동만으로도 시편에 큰 외력을 인가할 수 있도록 시편의 목이 형성될 부분을 유한요소해석법을 통하여 도출하는 피로 시험 시스템을 제공함에 있다. The present invention has been devised to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a fatigue test system in which a plurality of specimens are mounted in a vibration test apparatus and then vibration is generated to cause the specimen to vibrate, and only by vibration To provide a fatigue test system that derives the part where the neck of the specimen will be formed through the finite element analysis method so that a large external force can be applied to the specimen.
또한, 진동 시험기가 가한 진폭으로부터 산출된 진동 가속도와 시편의 왕복 반복 횟수로 생성된 G-N 데이터를 기초로, 스트레스 라이프(S-N) 데이터로 변환하여 제품 설계에 반영 가능한 소재의 피로 시험 데이터를 제공할 수 있는 피로 시험 시스템의 제공을 목적으로 한다.In addition, based on the vibration acceleration calculated from the amplitude applied by the vibration tester and the GN data generated by the number of round trip repetitions of the specimen, it can be converted into stress life (SN) data to provide fatigue test data of materials that can be reflected in product design. The purpose of this is to provide a fatigue test system with
본 발명의 소재의 피로 시험 시스템은, 높이 방향을 따라 연장되어 형성되는 플레이트 형태로 형성되며, 특정 높이에서 주변 영역보다 너비가 좁은 목이 형성되는 제 1 내지 n 시편을 포함하는 시편 어레이; 상기 제 1 내지 n 시편이 지면에 대해 수직하도록, 상기 제 1 내지 n 시편의 상단과 단단하게(rigidly) 결합된 결합부; 상기 결합부에 소정의 진동 주파수 및 소정의 진폭의 진동을 인가하는 진동부; 상기 진동부의 동작을 제어하며, 상기 제 1 내지 n 시편의 각각의 파단 여부를 검출하고, 상기 제 1 내지 n 시편 각각이 파단될 때까지 상기 제 1 내지 n 시편 각각의 왕복 운동 횟수인 N1 내지 Nn, 인가된 진동 주파수 및 진폭 정보를 기초로 스트레스 라이프(S-N) 데이터를 산출하는 제어부;를 포함하고, 여기서 n>1인 것을 특징으로 한다.The fatigue test system of the material of the present invention is formed in the form of a plate extending along the height direction, the specimen array including the first to n specimens in which the neck is narrower than the peripheral area at a specific height; a coupling portion rigidly coupled to the upper ends of the first to n specimens so that the first to n specimens are perpendicular to the ground; a vibrating unit for applying vibration of a predetermined vibration frequency and a predetermined amplitude to the coupling unit; control the operation of the vibrating unit, detect whether each of the first to n specimens is broken , a control unit that calculates stress life (SN) data based on the applied vibration frequency and amplitude information, wherein n>1.
또한, 상기 제어부는, 상기 진폭을 기초로 해당하는 상기 시편 어레이에 인가된 진동 가속도인 인가 진동 가속도(G)를 산출하고, 진동 가속도와 응력간 관계식을 기초로, 상기 인가 진동 가속도에 해당하는 인가 응력을 추정하며, 상기 진폭의 진동에 대하여 시편이 파단될 때까지 상기 제 1 내지 n 시편 각각의 왕복 운동 횟수인 N1 내지 Nn과 추정된 상기 인가 응력을 기초로 스트레스 라이프(S-N) 데이터를 산출하는 것을 특징으로 한다.In addition, the control unit calculates an applied vibration acceleration (G) that is a vibration acceleration applied to the corresponding specimen array based on the amplitude, and based on the relational expression between the vibration acceleration and the stress, an application corresponding to the applied vibration acceleration Estimating the stress, calculating the stress life (SN) data based on N1 to Nn, which is the number of reciprocating motions of each of the first to n specimens, and the estimated applied stress until the specimen is broken with respect to the vibration of the amplitude characterized in that
또한, 상기 진동 주파수는 상기 제 1 내지 n 시편 중 적어도 하나의 공진 주파수인 것을 특징으로 한다.In addition, the vibration frequency is characterized in that the resonance frequency of at least one of the first to n specimens.
또한, 상기 진동 주파수는, 상기 진동 주파수로 진동되는 상기 제 1 내지 n 시편이 비틀리지 않고, 시편의 표면에 대해 수직 방향으로 왕복 운동하는 주파수인 것을 특징으로 한다.In addition, the vibration frequency is characterized in that the first to n specimens vibrated at the vibration frequency are not twisted, but are reciprocating frequencies in a vertical direction with respect to the surface of the specimen.
또한, 상기 제어부는, 상기 진동 주파수 및 상기 진폭 중 적어도 하나를 가변 제어하는 것을 특징으로 한다.In addition, the control unit, characterized in that for variably controlling at least one of the vibration frequency and the amplitude.
또한, 상기 제어부는, 인가되는 진동의 진동 주파수와 진폭 중 적어도 하나를 변경해 가면서, 반복적으로 피로 시험을 수행하고, 각 시험의 상기 제 1 내지 n 시편 각각의 파단시 왕복 운동 횟수인 N1 내지 Nn, 인가된 진동 주파수 및 진폭 정보를 누적한 데이터를 기초로 스트레스 라이프(S-N) 데이터를 산출하는 것을 특징으로 한다.In addition, the control unit repeatedly performs a fatigue test while changing at least one of the vibration frequency and amplitude of the applied vibration, and N1 to Nn, which is the number of reciprocating motions at the break of each of the first to n specimens of each test, It is characterized in that the stress life (SN) data is calculated based on the accumulated data of the applied vibration frequency and amplitude information.
또한, 상기 소재의 피로 시험 시스템은 상기 제 1 내지 n 시편 각각의 목에 결합된 스트레인 게이지를 더 포함하고, 상기 제어부는, 상기 스트레인 게이지로부터 상기 진동하는 제 1 내지 n 시편 각각의 목의 변형률을 수신하고, 제 1 내지 n 시편 목의 변형률과 미리 입력된 상기 제 1 내지 n 시편의 탄성계수를 각각 곱하여 상기 제 1 내지 n 시편에 작용하는 응력인 S1 내지 Sn을 추정하며, 상기 응력 S1 내지 Sn과 상기 N1 내지 Nn을 기초로 스트레스 라이프(S-N) 데이터를 산출하는 것을 특징으로 한다.In addition, the fatigue test system of the material further comprises a strain gauge coupled to the neck of each of the first to n specimens, and the control unit, the first to n specimens vibrating from the strain gauge The strain of the neck of each of the specimens receiving, and multiplying the strain of the neck of the first to n specimens and the elastic modulus of the first to n specimens input in advance, respectively, to estimate the stresses S1 to Sn acting on the first to n specimens, and the stresses S1 to Sn and stress life (SN) data is calculated based on the N1 to Nn.
또한, 상기 제어부는, 상기 제 1 내지 n 시편 중 적어도 하나와 동일한 형상 및 재질의 적어도 하나의 시편에 대하여 사전에 실시된 피로 시험 결과를 입력받고, 상기 입력된 피로 시험 결과, 상기 N1 내지 Nn 및 상기 시편 어레이에 인가된 진폭을 기초로 상기 제 1 내지 n 시편에 인가된 응력을 추정하여 스트레스 라이프(S-N) 데이터를 산출하는 것을 특징으로 한다.In addition, the control unit receives the fatigue test results previously performed on at least one specimen having the same shape and material as at least one of the first to n specimens, and the input fatigue test results, the N1 to Nn and Stress life (SN) data is calculated by estimating the stress applied to the first to n specimens based on the amplitude applied to the specimen array.
또한, 상기 제어부는, 상기 입력된 피로 시험 결과의 소정 응력에 대한 반복 횟수와 상기 N1 내지 Nn을 비교하여, 상기 진폭에 해당하는 진동 가속도 및 응력을 산출하는 것을 특징으로 한다.In addition, the controller compares the number of repetitions for a predetermined stress of the input fatigue test result with the N1 to Nn, and calculates the vibration acceleration and stress corresponding to the amplitude.
또한, 상기 제어부는, 인가되는 진동의 진동 주파수와 진폭 중 적어도 하나를 변경해 가면서, 반복적으로 피로 시험을 수행하고, 각 시험의 상기 제 1 내지 n 시편 각각의 파단시 왕복 운동 횟수인 N1 내지 Nn, 인가된 진동 주파수 및 진폭 정보를 저장하며, 상기 입력된 피로 시험 결과의 소정 응력에 대한 반복 횟수와 시험 대상 시편 어레이의 왕복 운동 횟수인 N1 내지 Nn를 비교하여, 인가된 진폭에 해당하는 진동 가속도 및 응력을 산출하여 스트레스 라이프(S-N) 데이터를 생성하되, 상기 입력된 피로 시험 결과를 기초로 인가된 진폭 또는 진동 가속도와 응력간 보간법(인터폴레이션 또는 엑스트라폴레이션)을 통해서 스트레스 라이프(S-N) 데이터를 보완하는 것을 특징으로 한다.In addition, the control unit repeatedly performs a fatigue test while changing at least one of the vibration frequency and amplitude of the applied vibration, and N1 to Nn, which is the number of reciprocating motions at the break of each of the first to n specimens of each test, Stores the applied vibration frequency and amplitude information, and compares the number of repetitions for a predetermined stress of the input fatigue test result with N1 to Nn, which is the number of reciprocating motions of the test target specimen array, and the vibration acceleration corresponding to the applied amplitude and Generate stress life (SN) data by calculating the stress, but supplement the stress life (SN) data through interpolation (interpolation or extrapolation) between the applied amplitude or vibration acceleration and stress based on the input fatigue test result characterized in that
본 발명의 피로 시험 시스템은, 복수 개의 시편을 진동 시험 장치에 고정한 후 진동을 발생시키는 것으로, 복수 개의 시편을 동시에 시험할 수 있어 시험 시간을 단축할 수 있다. 또한, 진동만으로도 시편에 큰 외력을 인가할 수 있도록 시편의 목이 형성될 부분을 유한요소해석법을 통하여 도출한 후 시편을 제작하기 때문에 시험의 신뢰성을 높일 수 있다. 아울러, 또한, 진동 시험기가 가한 진폭으로부터 산출된 진동 가속도와 시편의 왕복 반복 횟수로 생성된 G-N 데이터를 기초로, 스트레스 라이프(S-N) 데이터로 변환하여 제품 설계에 반영 가능한 소재의 피로 시험 데이터를 제공할 수 있는 피로 시험 시스템의 제공할 수 있다.The fatigue test system of the present invention generates vibration after fixing a plurality of specimens to a vibration test apparatus, and it is possible to simultaneously test a plurality of specimens, thereby shortening the test time. In addition, the reliability of the test can be improved because the specimen is manufactured after the part where the neck of the specimen will be formed is derived through the finite element analysis method so that a large external force can be applied to the specimen only with vibration. In addition, based on the vibration acceleration calculated from the amplitude applied by the vibration tester and the GN data generated by the number of round trip repetitions of the specimen, it is converted into stress life (SN) data to provide fatigue test data of materials that can be reflected in product design. It is possible to provide a fatigue test system that can do this.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 소재의 피로 시험 시스템의 구성 개략도
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 소재의 피로 시험 시스템의 확대 측면도
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 소재의 피로 시험 시스템의 복수 개의 진동모드에 따른 모델링된 시편의 사시도
도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 소재의 피로 시험 시스템의 모델링된 시편의 정면도
도 5는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 소재의 피로 시험 시스템의 제어부 블록도
도 6은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 소재의 피로 시험 시스템의 시편 정면도
도 7은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 소재의 피로 시험 시스템의 S-N 데이터 생성 순서도
도 8은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 소재의 피로 시험 시스템의 S-N 데이터 생성 순서도1 is a schematic diagram of a material fatigue test system according to an embodiment of the present invention;
2 is an enlarged side view of a material fatigue test system according to an embodiment of the present invention;
3 is a perspective view of a modeled specimen according to a plurality of vibration modes of a material fatigue test system according to an embodiment of the present invention;
4 is a front view of a modeled specimen of a material fatigue test system according to an embodiment of the present invention;
5 is a control block diagram of a material fatigue test system according to an embodiment of the present invention;
6 is a front view of a specimen of a material fatigue test system according to a first embodiment of the present invention;
7 is a flowchart of SN data generation of a fatigue test system for a material according to a first embodiment of the present invention;
8 is a flowchart of SN data generation of a material fatigue test system according to a second embodiment of the present invention;
이하, 상기와 같은 본 발명의 일실시예에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, an embodiment of the present invention as described above will be described in detail with reference to the drawings.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 소재의 피로 시험 시스템의 구성 개략도를 도시하고 있다. 도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 소재의 피로 시험 시스템은, 피로 물성을 검사하는 소재로 형성된 복수 개의 시편(100)이 결합부(200)에 소정 간격을 두고 결합되어 시편 어레이를 형성하고, 각 시편(100)은 높이 방향으로 연장되어 형성되며, 특정 높이에서 주변 영역보다 너비가 좁은 목(110)이 형성된다. 결합부(200)는 시편(100)의 상단과 결합하며, 피로 시험 중 시편(100)이 결합부(200)로부터 이탈하지 않도록 별도의 고정 장치가 구비되어 있을 수 있다. 복수 개의 시편(100)이 결합된 결합부(200)는 진동부(300)의 상부에 놓이게 되고, 진동부(300)는 소정의 진동 주파수 및 소정의 진폭을 인가하고, 결합부(200)에 결합된 복수 개의 시편(100)이 진동한다. 진동부(300)는 진동부(300)의 동작을 제어하는 제어부(400)와 전기적으로 연결된다. 제어부(400)는 진동부(300)의 동작을 제어하는 기능 외에도 시편 어레이를 구성하는 각 제 1 시편 내지 제 n 시편의 파단 여부를 검출한다. 이때, 각 시편(100)의 파단 여부를 검출하기 위한 방법으로 진동부(300)가 인가하는 진동 주파수나 진폭의 차이를 통해 검출하거나, 촬영 장치를 통해 검출할 수도 있으며, 시편(100)에 스트레인 게이지가 부착될 경우에는 스트레인 게이지의 출력 신호로부터 시편(100)의 파단 여부를 검출할 수 있다. 각 시편(100)이 파단될 때까지 진동한 왕복 운동 횟수(N)인 N1 내지 Nn을 저장하며, 진동부(300)가 인가한 진동 주파수 및 진폭 정보를 기초로 스트레스 라이프 데이터(이하, S-N 데이터라고 한다.)를 산출한다. 산출된 S-N 데이터는 작업자의 PC나 휴대용 단말기로 전송될 수 있다.1 is a schematic diagram showing the configuration of a fatigue test system for a material according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, in the fatigue test system of the material of the present invention, a plurality of
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 소재의 피로 시험 시스템의 확대 측면도를 도시하고 있다. 도 2에 도시된 바와 같이 결합부(200)에 결합된 시편(100)은 진동부(300)로부터 소정의 주파수 및 소정의 진폭으로 인가된 진동에 의해 진동한다. 이때, 시편(100)은 시편(100)의 표면에 대해 수직 방향으로 진동하는 것이 바람직하다. 즉, 시편(100)이 진동에 의해 전방으로 이동할 때는 시편(100)의 전면이 압축되고, 시편(100)이 진동에 의해 후방으로 이동할 때는 시편(100)의 전면이 인장된다. 시편(100)이 진동에 의해 전방 및 후방으로 반복적으로 이동함에 따라 시편(100)은 압축 및 인장되고, 압축력 및 인장력이 시편(100)에 반복적으로 인가되어 시편(100)은 파단된다. 이때, 제어부(400)는 시편(100)이 파단되기 전까지 진동하며 왕복 운동한 왕복 운동 횟수(N)를 저장한다. 2 is an enlarged side view of a material fatigue test system according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 2 , the
피로 시험을 계획할 때에는 반드시 시편에 부과되는 하중을 예상할 수 있어야만 한다. 전통적인 인장-압축 피로 시험 방법에서는 하중 조건을 시편의 단면적으로 나누어 주면 시편에 부과되는 하중을 계산할 수 있다. 그러나, 진동 시험기를 이용한 피로 시험의 경우에는 시편의 형상과 시험의 진동 주파수 조건에 따라 시편에 부과되는 하중이 달라지기 때문에 시편 형상, 진동 주파수 사이의 관계와 영향을 알고 있어야 한다. 시편 형상과 진동 주파수 관계에 대한 사전 해석 없이 시험을 계획하고 수행할 경우, 무의미한 시험 결과가 나타나거나 파단이 발생되기를 기대했던 시편의 영역(시편의 목)이 아닌 그 외 부분(예를 들어 결합부와 결합된 영역)에 최대 하중이 부과되어 파단될 경우에는 무의미한 시험 결과가 얻어진다. 따라서, 본 발명에서는 상기한 문제를 해결하기 위해서 시편의 형상과 진동 주파수의 관계를 유한요소해석을 통해 해석하고, 이를 토대로 피로 시험에 사용되는 최적의 시편 형상을 제시하여 피로 시험의 신뢰성을 높이는 것을 특징으로 한다. 도 3 및 도 4를 참조하여 이를 자세히 설명하도록 한다.When planning a fatigue test, it must be possible to predict the load applied to the specimen. In the traditional tensile-compression fatigue test method, the load applied to the specimen can be calculated by dividing the load condition by the cross-sectional area of the specimen. However, in the case of a fatigue test using a vibration tester, it is necessary to know the relationship and influence between the specimen shape and the vibration frequency because the load applied to the specimen varies depending on the shape of the specimen and the condition of the vibration frequency of the test. If the test is planned and performed without prior analysis of the relationship between the specimen shape and the vibration frequency, meaningless test results may appear or other parts (e.g., joints) other than the area of the specimen (the neck of the specimen) in which the fracture was expected to occur. In case the maximum load is applied to the area combined with Therefore, in the present invention, in order to solve the above problem, the relationship between the shape of the specimen and the vibration frequency is analyzed through finite element analysis, and based on this, the optimal specimen shape used for the fatigue test is suggested to increase the reliability of the fatigue test. characterized. This will be described in detail with reference to FIGS. 3 and 4 .
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 소재의 피로 시험 시스템의 복수 개의 진동모드에 따른 모델링된 시편의 사시도를 도시하고 있다. 이때, 모델링된 시편은 진동 시험도 3의 (a)에 도시된 모델링 시편(100M)은 제 1 진동 주파수 값이 입력된 제 1 진동모드, 도 3의 (b)에 도시된 모델링 시편(100M)은 제 2 진동 주파수 값이 입력된 제 2 진동모드이다.3 is a perspective view illustrating a modeled specimen according to a plurality of vibration modes of a material fatigue test system according to an embodiment of the present invention. At this time, the modeled specimen is a vibration test, the
도 3의 (a)에 도시된 바와 같이 제 1 진동모드에서 모델링 시편(100M)은 표면에 대해 수직 방향으로 진동하는 것을 알 수 있다. 이는, 적절한 진동 주파수 값으로 제어부(400)에 송신하여 진동부(300)가 제 1 진동 주파수의 진동을 인가하도록 한다. 그러나, 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이 제 2 진동모드에서 모델링 시편(100M)은 표면에 대해 수직 방향으로 진동하지 않고 비틀림이 발생되었으므로, 제 2 진동 주파수 값은 피로 시험에 적절하지 않은 주파수 값임을 알 수 있다. 따라서, 피로 시험을 진행하기 전 시편(100)을 진동시킬 주파수 값을 미리 유한요소해석법을 통해 도출할 수 있어 효과가 있다.As shown in (a) of FIG. 3 , it can be seen that the
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 소재의 피로 시험 시스템의 모델링된 시편의 정면도를 도시하고 있다. 도 4의 (a)는 제 3 진동 주파수 값이 입력된 제 3 진동모드이고, 도 4의 (b)는 제 4 진동 주파수 값이 입력된 제 4 진동모드이다. 이때, 제 3 진동 주파수 및 제 4 진동 주파수는 모델링 시편(100Ma, 100Mb)을 표면에 대해 수직 방향으로 진동시키는 주파수이다.4 shows a front view of a modeled specimen of a material fatigue test system according to an embodiment of the present invention. 4A is a third vibration mode to which a third vibration frequency value is input, and FIG. 4B is a fourth vibration mode to which a fourth vibration frequency value is input. In this case, the third and fourth vibration frequencies are frequencies at which the modeling specimens 100Ma and 100Mb vibrate in a direction perpendicular to the surface.
제 3 진동모드의 모델링 시편(100Ma)는 결합부(200)에 결합되는 영역으로부터 L1만큼 떨어진 위치에 목(110Ma)이 형성되었을 때 가장 큰 외력을 받을 수 있고, 제 4 진동모드의 모델링 시편(100Mb)는 결합부(200)에 결합되는 영역으로부터 L2만큼 떨어진 위치에 목(110Mb)이 형성되었을 때 가장 큰 외력을 받을 수 있다. 시편(100)을 표면에 대해 수직으로 이동시키는 진동 주파수라고 할지라도 목(110)이 형성되는 높이에 따라 시편(100)의 목(110)에 작용하는 외력이 달라진다. 따라서, 시편을 시편의 수직 방향으로 진동시키는 소정 주파수에서 목의 위치가 각각 다르게 형성된 복수 개의 모델링 시편을 그린 후, 유한요소해석법을 통해 시뮬레이션한 후 외력이 가장 크게 작용하는 목의 위치를 갖는 모델링 시편(100)의 형상대로 제작된 시편(100)으로 피로 시험을 진행하며, 시편(100)의 목(110)에 외력이 가장 크게 작용하는 진동 주파수는 공진 주파수인 것이 바람직하다.The modeling specimen 100Ma of the third vibration mode may receive the greatest external force when the neck 110Ma is formed at a position separated by L1 from the region coupled to the
도 5는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 소재의 피로 시험 시스템의 제어부 블록도를 도시하고 있다. 도 5에 도시된 바와 같이 제어부(400)는 수신부(410), 송신부(420), 진동 가속도 산출부(430) 및 S-N 데이터 생성부(440)를 포함한다. 수신부(410)는 도 3을 참조하여 설명한 유한요소해석법을 통해 산출된 진동 주파수 값을 수신 받으며, 시편(100)의 목(110)에 시편(100)의 변형률을 측정하는 스트레인 게이지(120)가 부착될 경우, 스트레인 게이지(120)로부터 변형률을 수신 받는다. 진동 가속도 산출부(430)는 진동부(300)가 인가하는 소정의 진폭의 크기에 기초하여 시편(100)이 왕복 운동하는 진동 가속도(G)를 산출하고, 상기 S-N 데이터 생성부(440)는 제 1 내지 n 시편 각각의 왕복 운동 횟수 N1 내지 Nn, 진동부(300)에 인가된 진동 주파수 및 진폭 정보가 누적된 데이터를 기초로 하여 S-N 데이터를 생성한다. S-N 데이터 생성부(440)에서 생성된 S-N 데이터는 송신부(420)에 의해 작업자의 PC나 휴대용 단말기에 송신되거나 별도 저장 장치에 저장되는 것이 바람직하다. 5 is a block diagram of a control unit of a material fatigue test system according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 5 , the
도 6 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 피로 시험 시스템이 S-N 데이터를 생성하는 두 가지 실시예를 설명하도록 한다. 먼저, 도 6 및 도 7을 참조하여 첫 번째 실시예를 설명한다.Two embodiments in which the fatigue test system of the present invention generates S-N data will be described with reference to FIGS. 6 to 8 . First, a first embodiment will be described with reference to FIGS. 6 and 7 .
도 6은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 소재의 피로 시험 시스템의 시편 정면도를 도시하고 있다. 도 6에 도시된 바와 같이 각 시편(100)의 목(110)에 스트레인 게이지(120)가 결합되어 있다. 스트레인 게이지(120)는 제 1 내지 제 n 시편의 목(110)에 각각 설치되어 변형률을 측정하고, 이를 제어부(400)에 송신하고 제어부(400)는 스트레인 게이지(120)로부터 송신된 변형률을 수신 받아 응력을 산출하고, S-N 데이터 생성부(440)가 S-N 데이터를 산출한다. 도 7에 도시된 순서도를 참조하여 보다 자세히 설명하도록 한다.6 is a front view showing a specimen of a fatigue test system for a material according to a first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 6 , the
도 7에 도시된 바와 같이 먼저 시편(100)의 목(110)에 결합된 스트레인 게이지(120)가 시편(100)이 소정의 진동 주파수 및 소정의 진폭으로 진동할 때 목(110)의 변형률을 측정하는 변형률 측정 단계(S100)를 진행한다. 스트레인 게이지(120)에서 측정된 변형률은 제어부(400)로 송신되어 제어부(400)가 변형률을 수신 받는 변형률 수신 단계(S110)가 진행되고, 제어부(400)는 변형률 수신 단계(S110)에서 수신된 변형률과 미리 입력된 소재의 탄성계수를 곱하여 제 1 내지 n 시편에 작용하는 응력인 S1 내지 Sn을 산출하는 응력 산출 단계(S120)를 진행한다. 이때, 소정의 진폭 정보에 의해 진동 가속도 산출부(430)에서 진동 가속도(Ga)가 산출되고, 진동 가속도(Ga)일 때 산출된 제 1 내지 n 시편에 작용하는 응력인 S1 내지 Sn 값을 기초로 하여, S-N 데이터가 산출되는 S-N 데이터 산출 단계(S130)가 진행된다. 진동 가속도(Ga)일 때 산출된 제 1 내지 n 시편에 작용하는 응력인 S1 내지 Sn 값을 기초가 되어 진동부(300)가 인가하는 진폭 크기를 조절하더라도 진동 가속도와 응력 간 관계식(진동 가속도(G) = kㅧ응력(S), k=상수)에 따라 시편(100)의 목(110)에 인가되는 응력을 추정할 수 있다.As shown in FIG. 7, first, the
도 8은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 소재의 피로 시험 시스템의 S-N 데이터 생성 순서도를 도시하고 있다. 도 8에 도시된 바와 같이 먼저 종래의 피로 시험 장치를 이용하여 본 발명의 시편(100)과 동일한 형상 및 재질로 형성되는 시편에 대한 피로 시험을 진행하고, 사전 피로 시험 결과를 취득한다. 이때, 종래의 피로 시험 장치는 하나의 시편의 양단에 결합되어 하나의 시편에 반복적으로 소정의 인장력과 압축력을 포함하는 응력을 인가하는 피로 시험 장치이다.8 is a flowchart illustrating S-N data generation of a material fatigue test system according to a second embodiment of the present invention. As shown in FIG. 8 , a fatigue test is first performed on a specimen formed of the same shape and material as the
제어부(400)는 사전 피로 시험 결과 수신 단계(S200)를 통해 종래의 피로 시험 장치로 하나의 시편에 대해 진행된 사전 피로 시험 결과를 수신 받고, 본 발명의 피로 시험 결과에 따른 상기 제 1 내지 제 n 시편의 왕복 운동 횟수인 N1 내지 Nn 및 진동부(300)가 인가한 진폭 정보를 수신 받는 본 발명의 피로 시험 결과 수신 단계(S210)를 진행한다. 이때, 진동부(300)가 인가한 진폭 정보는 진동 가속도 산출부(430)에 의해 진동 가속도로 산출된다. 사전 피로 시험 결과의 소정 응력에 대한 반복 횟수와 본 발명의 시편(100)의 왕복 운동 횟수인 N1 내지 Nn을 비교하여, 진동 가속도(Gb)를 산출하는 진동 가속도 산출 단계(S220)가 진행된다. 이때, 반복 횟수와 비교되는 왕복 운동 횟수(N)는 N1 내지 Nn의 평균값 또는 N1 내지 Nn 값 중 최대값과 최소값을 제외한 중간값들의 평균값 중 하나일 수 있다. 이후, 진동부(300)가 인가한 진폭 정보에 해당하는 진동 가속도(Gb) 및 응력을 산출하여 S-N 데이터가 생성되는 S-N 데이터 산출 단계(S230)가 진행된다.The
이때, 진동부(300)가 인가하는 진폭 크기를 조절하더라도 진동 가속도와 응력 간 관계식(진동 가속도(G) = kㅧ응력(S), k=상수)에 따라 시편(100)의 목(110)에 인가되는 응력을 추정할 수 있으며, 진동 가속도와 응력 간 인터폴레이션 또는 엑스트라폴레이션을 통해 S-N 데이터를 추가 보완할 수도 있다. At this time, even if the amplitude level applied by the vibrating
본 발명의 상기한 실시 예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안 된다. 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.The technical idea should not be construed as being limited to the above-described embodiment of the present invention. Various modifications can be made at the level of those skilled in the art without departing from the gist of the present invention as claimed in the claims. Accordingly, such improvements and modifications fall within the protection scope of the present invention as long as it is apparent to those skilled in the art.
100 시편
110 목
120 스트레인 게이지
200 결합부
300 진동부
400 제어부
410 수신부
420 송신부
430 진동 가속도 산출부
440 S-N 생성부100 Psalms
110 neck
120 strain gauge
200 joint
300 vibrator
400 control
410 receiver
420 transmitter
430 Vibration Acceleration Calculator
440 SN generator
Claims (10)
상기 제 1 내지 n 시편이 지면에 대해 수직하도록, 상기 제 1 내지 n 시편의 상단과 단단하게(rigidly) 결합된 결합부;
상기 결합부에 소정의 진동 주파수 및 소정의 진폭의 진동을 인가하는 진동부;
상기 진동부의 동작을 제어하며, 상기 제 1 내지 n 시편의 각각의 파단 여부를 검출하고, 상기 제 1 내지 n 시편 각각이 파단될 때까지 상기 제 1 내지 n 시편 각각의 왕복 운동 횟수인 N1 내지 Nn, 인가된 진동 주파수 및 진폭 정보를 기초로 스트레스 라이프(S-N) 데이터를 산출하는 제어부;를 포함하고,
여기서 n>1인 것을 특징으로 하는 소재의 피로 시험 시스템.
a specimen array including first to n specimens formed in the form of a plate extending along the height direction and having a neck narrower than the peripheral region at a specific height;
a coupling portion rigidly coupled to the upper ends of the first to n specimens so that the first to n specimens are perpendicular to the ground;
a vibrating unit for applying vibration of a predetermined vibration frequency and a predetermined amplitude to the coupling unit;
Controls the operation of the vibrating unit, detects whether each of the first to n specimens is broken, and N1 to Nn, which is the number of reciprocating motions of each of the first to n specimens, until each of the first to n specimens is broken , a control unit for calculating stress life (SN) data based on the applied vibration frequency and amplitude information;
A fatigue test system for a material, characterized in that n>1.
상기 제어부는,
상기 진폭을 기초로 해당하는 상기 시편 어레이에 인가된 진동 가속도인 인가 진동 가속도(G)를 산출하고,
진동 가속도와 응력간 관계식을 기초로, 상기 인가 진동 가속도에 해당하는 인가 응력을 추정하며,
상기 진폭의 진동에 대하여 시편이 파단될 때까지 상기 제 1 내지 n 시편 각각의 왕복 운동 횟수인 N1 내지 Nn과 추정된 상기 인가 응력을 기초로 스트레스 라이프(S-N) 데이터를 산출하는 것을 특징으로 하는 소재의 피로 시험 시스템.
According to claim 1,
The control unit is
Calculating an applied vibration acceleration (G), which is a vibration acceleration applied to the corresponding specimen array based on the amplitude,
Based on the relational expression between the vibration acceleration and the stress, the applied stress corresponding to the applied vibration acceleration is estimated,
Material characterized in that the stress life (SN) data is calculated based on N1 to Nn, which is the number of reciprocating motions of each of the first to n specimens, and the estimated applied stress until the specimen is broken with respect to the vibration of the amplitude of the fatigue test system.
상기 진동 주파수는 상기 제 1 내지 n 시편 중 적어도 하나의 공진 주파수인 것을 특징으로 하는 소재의 피로 시험 시스템.
According to claim 1,
The vibration frequency is a fatigue test system for a material, characterized in that the resonance frequency of at least one of the first to n specimens.
상기 진동 주파수는,
상기 진동 주파수로 진동되는 상기 제 1 내지 n 시편이 비틀리지 않고, 시편의 표면에 대해 수직 방향으로 왕복 운동하는 주파수인 것을 특징으로 하는 소재의 피로 시험 시스템.
According to claim 1,
The vibration frequency is
Fatigue testing system for a material, characterized in that the first to n specimens vibrated at the vibration frequency are not twisted and have a frequency at which they reciprocate in a vertical direction with respect to the surface of the specimen.
상기 제어부는,
상기 진동 주파수 및 상기 진폭 중 적어도 하나를 가변 제어하는 것을 특징으로 하는 소재의 피로 시험 시스템.
According to claim 1,
The control unit is
Fatigue test system for a material, characterized in that at least one of the vibration frequency and the amplitude is variably controlled.
상기 제어부는,
인가되는 진동의 진동 주파수와 진폭 중 적어도 하나를 변경해 가면서, 반복적으로 피로 시험을 수행하고,
각 시험의 상기 제 1 내지 n 시편 각각의 파단시 왕복 운동 횟수인 N1 내지 Nn, 인가된 진동 주파수 및 진폭 정보를 누적한 데이터를 기초로 스트레스 라이프(S-N) 데이터를 산출하는 것을 특징으로 하는 소재의 피로 시험 시스템.
According to claim 1,
The control unit is
Repeatedly performing a fatigue test while changing at least one of the vibration frequency and amplitude of the applied vibration,
Material characterized in that the stress life (SN) data is calculated based on the accumulated data of N1 to Nn, the number of reciprocating motions at break of each of the first to n specimens of each test, and the applied vibration frequency and amplitude information Fatigue test system.
상기 소재의 피로 시험 시스템은 상기 제 1 내지 n 시편 각각의 목에 결합된 스트레인 게이지를 더 포함하고,
상기 제어부는,
상기 스트레인 게이지로부터 상기 진동하는 제 1 내지 n 시편 각각의 목의 변형률을 수신하고,
제 1 내지 n 시편 목의 변형률과 미리 입력된 상기 제 1 내지 n 시편의 탄성계수를 각각 곱하여 상기 제 1 내지 n 시편에 작용하는 응력인 S1 내지 Sn을 추정하며,
상기 응력 S1 내지 Sn과 상기 N1 내지 Nn을 기초로 스트레스 라이프(S-N) 데이터를 산출하는 것을 특징으로 하는 소재의 피로 시험 시스템.
According to claim 1,
The fatigue test system of the material further comprises a strain gauge coupled to the neck of each of the first to n specimens,
The control unit is
receiving the strain of the neck of each of the vibrating first to n specimens from the strain gauge,
Multiplying the strain of the neck of the 1st to nth specimens and the elastic modulus of the 1st to nth specimens input in advance, respectively, to estimate S1 to Sn, which are stresses acting on the 1st to nth specimens,
The fatigue test system for a material, characterized in that the stress life (SN) data is calculated based on the stresses S1 to Sn and the N1 to Nn.
상기 제어부는,
상기 제 1 내지 n 시편 중 적어도 하나와 동일한 형상 및 재질의 적어도 하나의 시편에 대하여 사전에 실시된 피로 시험 결과를 입력받고,
상기 입력된 피로 시험 결과, 상기 N1 내지 Nn 및 상기 시편 어레이에 인가된 진폭을 기초로 상기 제 1 내지 n 시편에 인가된 응력을 추정하여 스트레스 라이프(S-N) 데이터를 산출하는 것을 특징으로 하는 소재의 피로 시험 시스템.
According to claim 1,
The control unit is
receiving a fatigue test result previously performed on at least one specimen having the same shape and material as at least one of the first to n specimens,
As a result of the input fatigue test, stress life (SN) data is calculated by estimating the stress applied to the first to n specimens based on the amplitudes applied to the N1 to Nn and the specimen array. Fatigue test system.
상기 제어부는,
상기 입력된 피로 시험 결과의 소정 응력에 대한 반복 횟수와 상기 N1 내지 Nn을 비교하여, 상기 진폭에 해당하는 진동 가속도 및 응력을 산출하는 것을 특징으로 하는 소재의 피로 시험 시스템.
9. The method of claim 8,
The control unit is
A fatigue test system for a material, characterized in that by comparing the number of repetitions for a predetermined stress of the input fatigue test result with the N1 to Nn, the vibration acceleration and stress corresponding to the amplitude are calculated.
상기 제어부는,
인가되는 진동의 진동 주파수와 진폭 중 적어도 하나를 변경해 가면서, 반복적으로 피로 시험을 수행하고,
각 시험의 상기 제 1 내지 n 시편 각각의 파단시 왕복 운동 횟수인 N1 내지 Nn, 인가된 진동 주파수 및 진폭 정보를 저장하며,
상기 입력된 피로 시험 결과의 소정 응력에 대한 반복 횟수와 시험 대상 시편 어레이의 왕복 운동 횟수인 N1 내지 Nn를 비교하여, 인가된 진폭에 해당하는 진동 가속도 및 응력을 산출하여 스트레스 라이프(S-N) 데이터를 생성하되,
상기 입력된 피로 시험 결과를 기초로 인가된 진폭 또는 진동 가속도와 응력간 보간법(인터폴레이션 또는 엑스트라폴레이션)을 통해서 스트레스 라이프(S-N) 데이터를 보완하는 것을 특징으로 하는 소재의 피로 시험 시스템.10. The method of claim 9,
The control unit is
Repeatedly performing a fatigue test while changing at least one of the vibration frequency and amplitude of the applied vibration,
Storing N1 to Nn, which is the number of reciprocating motions at break of each of the first to n specimens of each test, applied vibration frequency and amplitude information,
By comparing the number of repetitions for a predetermined stress of the input fatigue test result and N1 to Nn, which is the number of reciprocating motions of the test target specimen array, the vibration acceleration and stress corresponding to the applied amplitude are calculated to obtain the stress life (SN) data. create, but
A fatigue test system for a material, characterized in that it supplements the stress life (SN) data through an interpolation method (interpolation or extrapolation) between the applied amplitude or vibration acceleration and stress based on the input fatigue test result.
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KR20150118606A (en) | 2014-04-14 | 2015-10-23 | 선문대학교 산학협력단 | Cavitation/fatique/corrosion test apparatus of test piece using ultrasonic-oscillation |
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