스트레인 게이지를 사용하여 구조 결합에 대한 구조 상태 모니터링

구조 결합의 상태를 영구적으로 모니터링할 수 있는 방법은 무엇입니까? 구조적 상태 모니터링(SHM)을 적용하여 조기에 안정적으로 손상을 감지할 수 있습니까?

독일의 RWTH 아헨 대학의 구조 역학 및 경량 건설 연구소의 연구원들은 이러한 질문을 조사하고 있습니다. 맞춤화된 스트레인 게이지의 도움으로 계산된 스트레인 게이지 위치의 생산 관련 편차는 후처리 중에 보상될 수 있습니다. 

과제

접합 조인트의 구조적 상태를 감지하고 신뢰할 수 있는 힘 전달을 보장하기 위해 약간의 오정렬도 보상할 수 있는 스트레인 게이지가 필요했습니다.

솔루션

맞춤형 스트레인 게이지 측정 그리드의 개발은 측정 위치 주위에 균일한 strain 분포를 제공하여 측정 정확도를 높입니다.

결과

맞춤형 측정 그리드를 사용하여 짧은 측정 거리에 작은 스트레인 변경도 기록할 수 있습니다. 서로에 대한 측정 그리드의 정확한 배열을 통해 스트레인 게이지의 잘못된 위치 지정에 대한 결론을 도출할 수 있으므로 측정된 값을 원하는 위치로 수정할 수 있습니다.

본딩의 영구 모니터링

접착 결합은 완전히 비파괴적으로 테스트할 수 없습니다. 이를 통해 접합된 관절을 영구적으로 모니터링하여 구조적 상태를 기록할 수 있습니다.

이러한 모니터링은 이미 단일 스트레인 게이지로 매우 쉽게 수행될 수 있으며, 이는 특히 손상에 민감한 위치, 제로 strain 포인트[1]에서 구성 요소에 결합된다. 이 특별한 위치는 접합된 부품의 표면에 단순 겹침 접합으로 접합이 손상되지 않으면 strain이 없다는 사실이 특징입니다. 손상이 발생하자마자 strain 분포가 이동하고 명확한 측정 신호를 기록할 수 있습니다.

이 유망한 SHM 접근 방식의 과제는 이전에 계산된 위치에서 스트레인 게이지를 가능한 정확하게 배치하는 것입니다. 그러나 작은 잘못된 위치(<200 µm)와 결합 두께의 변화 모두 측정 신호의 이동을 유발합니다. 그런 다음 strain의 결과적인 변화를 수정해야 합니다.

측정점에 가까운 여러 지점에서 strain 분포를 측정하기 위해 HBK와 협력하여 맞춤형 스트레인 게이지를 설계, 제작했습니다. 측정 그리드는 0.5mm로 세로로 오프셋되고 캐리어 호일에 나란히 배치되었습니다(도 2 참조).

테스트

사용의 적합성을 평가하기 위해, 개발된 스트레인 게이지는 결합의 양면에 적용되었고 중첩 결합은 인장 테스트에서 실패하도록 로드되었다. 예상대로 세 개의 측정 그리드는 세 번의 이동 측정 곡선을 산출했습니다.

서로에 대해 이동된 세 개의 측정 그리드를 사용하면 나중에 측정된 값을 실제 최적의 위치로 수정할 수 있습니다(그림 3 참조).  

특히 민감한 피해 평가 방법의 경우 최적의 위치에서 사소한 편차에도 민감하게 반응합니다..

첫 번째 테스트 실행의 결과는 HBK의 맞춤형 스트레인 게이지로 놀라운 결과를 달성했으며 까다로운 측정 작업이 가능함을 보여주었습니다.

독일 RWTH 아헨의 구조 역학 및 경량 디자인 연구소 소개

Rheinisch-Westfälische 테크니슈 Hochschule 아헨(RWTH 아헨 대학)은 독일에서 기술 연구를 위한 가장 큰 대학입니다. 경량 구조 연구소는 1955년에 설립되었으며 독일 항공 우주 연구소(도이치 베르슈산스트발트 퓌르 루프트-und Raumfahrt e.V.)와 긴밀히 협력하고 있습니다. 최근 과거에는 구조 역학 및 구조적 건강 모니터링을 포함하도록 교육 및 연구 집중이 확대되었으며, 이는 구조 역학 및 경량 설계 연구소(SLA) 이름에도 반영되어 있습니다.

[1] 사데기, M. Z.; 와일랜드, J.; 프리슬러, A.; 짐머만, J.; 스키반, A.; Reisgen, 미국; 슈뢰더, K. U. 백페이스 스트레인을 사용하여 접착제로 결합된 단일 랩 조인트에서 손상 감지: 백페이스 스트레인 게이지에 대한 새로운 위치 제안. Int. J. 애즈. 접착제. 2020, 97, 102494.