고강도 복합체의 구조적 테스트

Strain gauges (SG) 는 실험적 응력 분석 분야, 그 중에서도 주로 핵심 부품의 피로 수명 테스트에 사용되어 왔습니다.실제 부하나 시뮬레이트 된 부하가 조립 부품이나 구조물에 미치는 영향은 SG 기반의 계측망(measurement chains)을 이용해 평가함으로써 뛰어난 결과를 얻을 수 있습니다.

섬유 복합재와 같은 고강도 신소재들은 SG 계측 장비에 있어서 까다로운 대상이 될 수 있습니다. 해당 부품들이 한계에 달하는 기계적 성능을 가질 경우에는 특히 그렇습니다. 부하가 높은 상태에서 SG가 오랜 시간 동안 진동에 노출되는 경우, 검사 대상인 부품보다 먼저 약화되어 고장을 일으키는 경우도 때로는 발생합니다.

교대하중(alternating loads)에 대한 저항

기계적 부품의 피로에 대한 저항력은 교대 하중에 대한 저항력으로 나타냅니다. 이러한 특성은 특정 소재에 대한 S-N 곡선으로 기술될 수 있고 또한 도면으로도 작성될 수 있습니다. S-N 테스트에서 소재 샘플은 주기적으로(대개 사인 곡선 형태로) 로드되며 일정한 진폭을 갖습니다. 테스트는 소재가 고장(예컨대 파손)을 일으킬 때까지 실행됩니다. 이 테스트를 서로 다른 진폭으로 반복하면서 각 경우마다 고장이 발생하기까지의 주기 수를 기록하여 그래프 내의 점들로 나타내보면 S-N 곡선이 이루어집니다. 소재가 고장을 일으킬 때까지의 주기 수를 x축에 대수적으로 입력하고, 관련 진폭은 y축에 기계적 응력이나 변형으로 입력합니다.

다음의 그래프는 서로 다른 소재들의 S-N 곡선을 보여줍니다. 섬유 복합재의 교대 하중에 대한 저항력이 높다는 것을 분명히 확인할 수 있습니다.

스트레인 게이지의 S-N 곡선

스트레인 게이지 자체도 피로가 발생하므로 S-N 곡선을 갖습니다. 이것은 소재(특히 그리드 소재), 레이아웃 및 설치 자체의 영향을 받습니다. 니켈-크롬 특수합금 기반의 계측 그리드를 갖는 SG는 콘스탄탄 소재의 계측 그리드를 갖는 전형적인 SG보다 교대 하중에 대한 저항력이 높습니다.

스트레인 게이지 설계에 있어, 곡선형 지오메트리가 각진 형태의 지오메트리보다 선호되는데, 이러한 설계는 교대 하중에 대한 저항력을 높이기 위해서입니다. 스트레인 릴리프(strain relief)를 갖춘 납땜 탭은 연결된 케이블의 기계적 응력이 전달되어 납땜 탭과 계측 그리드 사이에 파열이 일어나지 않도록 막아줍니다. 스트레인 게이지 개발자들은 복잡한 내구성 테스트에서 얻은 경험을 이용해 적절한 기준을 개발했습니다.

이와는 대조적으로, 설치 자체는 사용자의 손에 달려 있습니다. 여기서 극히 중요한 점은 접착제 코팅을 얇게만 입히고 땜납은 가능하면 적게 써야 한다는 것입니다. 이렇게 함으로써 납땜 접합부가 가능한 한 유연하게 유지되며, 파괴점을 사전에 결정할 필요가 없어집니다. 그러나 스트레인 게이지의 S-N 곡선을 알아내기 위한 테스트는 스트레인 게이지가 완전히 고장날 때까지 계속되지는 않습니다. 왜냐하면 테스트 중단 기준이 정의되기 때문입니다. 보통 100 µm/m 이상의 제로 드리프트가 적용되는 중단 기준입니다. 콘스탄탄 소재의 계측 그리드를 갖는 표준 SG의 전형적인 내구강도 값은 ±1400 µm/m에서 107 교대 하중입니다. 이 정도면 금속 소재에는 충분하고도 남지만 고강도의 섬유 복합재에는 충분치 못합니다. 그래프 1을 참조하십시오.

스트레인 게이지 교대 하중에 대한 저항 증가

이른바 M series 의 박막 스트레인 게이지는 언급된 기준을 충족합니다. M 시리즈 계측 그리드는 특수 니켈-크롬 합금으로 이루어져 있으며, 그 레이아웃은 교대 하중에 대해 최적의 저항력을 갖도록 설계되었습니다. 스트레인 릴리프를 갖춘 납땜 탭은 수많은 테스트를 통해 체계적으로 개선해온 데 따른 최적의 결과물입니다. 고강도 소재들은 이런 방식으로 테스트할 수 있습니다. 아래의 그래프는 새로운 M 시리즈와 범용 스트레인 게이지1(예컨대 HBM의 Y 시리즈)을 직접 비교한 결과를 보여줍니다.

극도의 교대 하중 저항(alternating loads resistance)에 대한 옵티컬 측정 기술

기존의 금속제 스트레인 게이지로는 교대 하중에 대한 저항력을 더욱 높이고 S-N 곡선이 위로 향하도록 하는것이 불가능 합니다. 이에 대한 명백한 대안이 FBG(Fiber Bragg Grating) 기술 기반의 옵티컬 측정 기술 입니다.

이 기술은 광섬유에 Bragg 격자를 새겨넣는 방법을 기반으로 합니다. 이러한 그레이팅(grating) 기술은 광 스펙트럼의 특정 파장을 반영하여 파장의 변형에 따라 스트레인 값을 측정하는 기술 입니다.

광섬유는 등방성의 기계적 특성을 가지며, 본질적으로 금속 소재들이 갖게 마련인 피로 성질이 없습니다. 광섬유는 최대 30,000 µm/m 정도의 강도까지 역동적으로 부하를 줄 수 있습니다. ±5,000 µm/m에서의 피로수명 테스트를 실행한 결과, 고장 없이 최대 107 부하 주기까지 이미 이르렀습니다. 2.

광섬유는 내장할 수도 있으며, 앞서 설명했던 극한적이고 주기적이며 및 변형이 심한 애플리케이션 뿐만 아니라 원칙적으로는 전기적 스트레인 게이지를 사용할 수 없는 분야에서도 사용할 수 있습니다. 예를 들어, 변압기, 고압 스위치 등 전자기장이 매우 강한 곳에서도 사용할 수 있습니다. 피로수명 분석에서 섬유 복합재와 같은 최신 소재들은 교대 하중에 대한 저항력과 관련하여 높은 수준의 계측 기술을 요구합니다. HBM은 이에 따른 적합한 조치를 취함으로써, 예컨대 M 시리즈의 경우 교대 하중에 대한 스트레인 게이지의 저항력을 높임으로써, 대부분의 계측에 사용할 수 있도록 했습니다. 광 계측 기술은 극한 교대 하중에도 매우 적절한 기술입니다.

 

 

저자에 관하여

Jens Boersch는 지난 14년간 제품 관리자로 HBM과 함께 일해 왔습니다. 그는 스트레인 게이지, 앰프 시스템 및 데이터 수집 소프트웨어 제품을 포함하여 모든 제품의 실험 및 HBM의 계측 기술에 관여 해 오고 있는 전문가 입니다.

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