구조적 내구성 및 시스템 안정성 LBF 프라운호퍼 연구소 할바르 슈미트 박사

인터뷰: 할바르 슈미트 박사 (Halvar Schmidt), 2014 HBM 상 수상자

제 4회 "담슈타트 구조적 내구성 심포지엄 (SoSDiD)" 의 일환으로,  구조적 내구성 및 시스템 안정성 LBF 프라운호퍼 연구소 에 근무하는 과학자인 할바르 슈미트 박사가 "가변량 부하를 받는 구조 접착 결합부에 대한 진동 강도 분석"이라는 논문으로 HBM상을 수상했다.

할바르 슈미트 박사가 개발한 계산 절차에서는 자동차 제조 시 경량 구조의 주요 장점을 살리는 복합 접착 구조물 설계가 특히 주목할 만한 점이다. 박사는 인터뷰를 통해 이런 절차에 어떤 장점이 있는지, 그리고 자동차 개발 시 어떤 의미가 있는지 밝혔다.

 박사님은 차량 제조 시 복합 접착 구조물에서 경량 구조 주요 장점을 추구할 수 있게 해주는 계산 절차를 개발하셨습니다. 이 절차의 주요 장점은 무엇입니까?

 큰 장점 중 하나는 단연 응용분야 지향적이라는 점입니다. 이 절차는 매개변수의 실험적 결정 및 피로 수명 분석의 양 측면에서 이와 같은 점을 확보할 수 있도록 설계되었습니다. 이 절차는 전산 과정의 제약사항뿐 아니라 대상 표본 및 부하적용도 포함합니다(그림 2 및 2 참조). 예를 들면, 단기간 계산을 통한 완벽한 계산 선형탄력적 계산과 확보된 확장성이 실질적인 결과를 신속하게 산출합니다.

또한 무작위로 변동하는 실제 부하를 고려할 경우 접착식 결합부로 경량 구조를 달성할 수 있음을 실험적으로 보여줄 수 있습니다.

 

 

Fig. 1: 실제 구성품과 유사한 샘플(좌측은 실물, 우측은 장착부 일부를 보여주는 CAD모형)
Fig. 2: 이용된 부하 스펙트럼, 'CARLOS 수직, 수정됨'.

 박사님의 연구 결과가 자동차 개발업체들에게 시사하는 구체적인 의미는 무엇입니까? 획기적인 차체 구성 방법의 발전을 가속화하게 되나요?

전체 연구 작업이 자동차 산업의 혁신으로 귀결되지는 않을 것입니다. 하지만, 내구성 분야에서 접착 기술은 여전히 초보 단계입니다. 따라서 제 연구 결과는 결합 구조 설계 부분을 이루는 접착식 결합부를 진동 강도의 측면에서 심도 있게 평가함으로써 모든 잠재력을 보다 효과적으로 이용할 수 있도록 하는 데 기여합니다. 예를 들면 신뢰성이 높아진 전산 분석을 활용하여 과다 면적 및 불필요한 중량을 피하고, 시제품에 드는 비용을 줄일 수 있습니다.

 

 얇은 용접 판금으로 실시한 예비 시험의 일환으로, 시험과 더불어 장애 기준 및 초기 균열 검출 방법을 식별했습니다. 스트레인 게이지 및 열탄성 응력 분석 모두를 이용하여 주기적 강도 및 응력을 분석했습니다. 스트레인 게이지의 장점은 무엇입니까? HBM사의 스트레인게이지를 이용하기로 결정하신 이유는 무엇입니까?

일반적으로 스트레인 게이지는 정밀하게 정의할 수 있는 부분의 국소 변형을 신뢰성 있고 매우 민감하게 측정할 수 있다는 장점을 가지고 있습니다. 초기 균열이 검출되었을 경우, 스트레인 게이지는 결합된 연결부의 가장 미세한 변화(이 경우 균열 형성 및 진전에 의한 응력 변동에 기인하는 표면 변형)에도 대응할 수 있게 해 줍니다. HBM사의 스트레인 게이지를 이용한 이유는 지난 다양한 응용에서의 풍부한 경험, 신뢰성 및 측정 정확도 때문입니다. 또한 저희의 목적에 맞는 적절한 여러 가지 스트레인 게이지를 사용할 수 있었습니다. 그림 4를 참조하십시오.

Fig. 4: Spot-welded sample with SG applied
Strain gauge measurement on a spot-welded sample
Bonded sample with SG applied

피로 수명 분석 분야가 향상되어 차량 제작 시 경량 구조 및 접착식 구조물의 이용 증가에 도움이 됩니다. 박사님은 특히 nCode GlyphWorks 소프트웨어를 이용하시는데요, 이 소프트웨어 솔루션의 성능은 어떻다고 평가하십니까?

첫째, 이 소프트웨어는 매우 이용하기 편리합니다. 제어 인터페이스 외에도, 추가 데이터 처리 및 개별 요건에 맞는 적응 옵션이 들어 있는데, 이는 특히 계산 방법을 개발하거나 확장할 때 유용합니다. nCode DesignLife와 더불어 이미 이행되고 있는 개념 및 방법이 매우 다양하며, 그에 따라 광범위한 실용적 용도를 제공합니다.

Fig. 5: nCode GlyphWorks from HBM
Fig. 6: nCode DesignLife from HBM

 박사님의 연구는 파괴 역학(fracture mechanics)을 기반으로 하는 피로 수명 분석을 구성품에 효과적인 방법으로 적용하려면 균열의 시작 및 진전에 대한 차별화된 고려 사항이 필요함을 보여주고 있습니다. 이런 면에서  옵티컬 센서 격자가 어떤 의미를 지닌다고 보십니까?

물론 자주 그렇듯이 이는 구체적인 응용 상황에 따라 달라집니다. 하지만, 일반적으로, 이는 사용 수명에 대한 더욱 정밀한 고려, 그리고 특히 구성품 또는 구조물의 파괴 거동의 측면에서 볼 때 매우 유망한 기술입니다. 예를 들면 전산 설계를 위한 기초 데이터를 창출함에 있어서 광섬유 센서 격자의 중요성이 큰 데도 불구하고, 이 분야에 대해 지식이 불충분한 경우가 많습니다. 광섬유 센서 격자를 요즘 더 빈번하게 이용되는 강화섬유 플라스틱이나 전기이동도(electromobility) 등의 고전압 환경에 통합할 수 있게 된다면 유망한 선택사항도 얻을 수 있습니다.

Fig. 7: OptiMet OMF singlemode fiber from HBM

 이 시점에서 박사님의 앞으로의 연구에 대한 전망을 말씀해 주실 수 있을까요?

결합 연결부, 특히 접착 연결부의 내구성 분야에서 폭넓은 이해를 이끌어 내기 위한 작업이 있었고 아직도 진행 중입니다. 이는 다축 하중을 받는 접착 구조물에 대한 피로 수명 분석 등, 접착 연결부에 관한 우리의 지식에 여전히 격차가 있다는 문제로 연결될 뿐 아니라, 구조 접착 결합부의 진동 강도 등의 문제로도 이어집니다. 하지만 이러한 문제를 극복한다면 우리의 지식 수준이 더 높아질 수 있습니다. 예를 들면 담슈타트 프라운호퍼 내구성 연구소는 최근에 플라스틱용으로 개발된 이중양생 접착제를 이용하여 등급화된 접착제 층에 대한 시험을 실시하고 있습니다.

저는 향후 완성차 내구성이라는 전반적 주제에 더 많이 초점을 맞추려고 합니다.

 

 

 

Symposium on Structural Durability in Darmstadt (SoSDiD)

Fraunhofer Institute for Structural Durability and System Reliability LBF

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