실험적 응력 분석이란?

Experimental Stress Analysis (ESA)는 스트레인 게이지 측정을 사용한 실험을 통해 수행되는 재료의 기계적 응력 분석입니다. 기존의 스트레스 유형, 그 원인 및 상태 또는 측정된 변형으로부터 스트레스를 결정하는 방법에 대해 살펴보시기 바랍니다.

기계적 응력 결정

응력은 힘으로 인한 재료의 물리적 반응 (변형)으로 정의됩니다. 일반적으로 적용된 힘(기계적 응력)의 결과로 발생하여 재료가 변형되지만 종종 재료 또는 더 큰 시스템 내의 힘의 영향으로 인해 발생하기도합니다.

스트레스는 다음과 같이 세분화됩니다.

  • 타입 : 수직 응력 및 전단 응력
  • 기존 힘 : 장력, 압축, 굽힘, 비틀림, 잔류 및 열 응력
  • 상태 : 단축, 2축, 3축

또한 원점과 관련된 응력은 일반 응력과 전단 응력으로 분류됩니다 (재료 강도를 고려할 때 응력 유형은 원인에 관계없이 중요합니다). 또한 위에서 설명한 상태에 따라 응력을 세분화 할 수 있습니다.

타입 및 기존 힘을 기반으로 응력 정의

굽힘 응력, 비틀림 응력 등과 같이 기존 힘의 이름을 활용해 명명된 다른 응력과 달리 인장 응력(양수) 및 압축 응력(음수)은 외부 힘이 관여하지 않고 발생합니다. 이들은 수직 및 전단 응력으로 구성됩니다.

 

잔류 응력(또는 고유 응력)은 힘의 내부 효과로 인해 발생할 수 있습니다. 강철 경화시 열처리 부품의 불균일 한 부피 변화, 주물 또는 사출 성형 된 금속 또는 플라스틱 물체의 불균일한 냉각, 용접 또는 단조 부품으로 기계 가공, 큰 물체와 함께, 단순히 자체 무게의 영향.

 

열 응력은 시스템에서 발생하는 잔류 응력의 한 타입으로, 다른 열 팽창을 가진 부품이 결합되어 자유 열 팽창이 방지됩니다. 불균일한 가열로 인해 발생할 수도 있습니다.

잔류 및 열 응력은 하중 응력과 유사하게 재료에 영향을 미칩니다. 외부에서 가해지는 힘으로 인해 재료의 하중 지지력이 감소합니다. 따라서 구조 부품의 작동 안전에 관한 질문은 잔류 응력이 양적, 질적으로 알려진 경우에만 적절하게 답변 할 수 있습니다. 이러한 응력의 결정은 응력이 "해제"되고 응력이 가해지지 않은 상태에서 재료가 나타내는 탄성 이완 정도를 측정 할 때 일반적인 실제 방법으로 만 가능합니다. 이러한 응력의 해제는 홀 드릴링 방법 또는 링 코어 방법과 같은 다양한 방식으로 발생할 수 있습니다

상태를 기반으로 스트레스 정의

스트레스 상태는 다음과 같이 세분화됩니다.

  1. 단축 응력 상태 : 인장 및 압축 바에서만 발생합니다.
  2. 이축 또는 평면 응력 조건 : 응력을 생성하는 힘이 서로 수직 인 두 축에서 발생하면 발생합니다. 힘의 유효 방향을 90 °에서 두 개의 주축으로 해석하는 것은 이론적 근거에서 수행됩니다. 동일한 평면에서 작용하지만 다른 각도에서 작용하는 서로 다른 힘의 효과적인 방향은 매우 다를 수 있습니다. 그러나 그들은 항상 두 가지 주요 방향으로 해결할 수 있습니다
  3. 3 축 또는 3 차원 응력 상태 : 힘이 어떤 방향 으로든 작용할 수있는 경우 존재합니다. 평면 응력 상태와 유사하게 모두 서로 수직 인 세 개의 주 축이 정의됩니다.

변형 측정은 구조 부품의 접근 가능한 표면에 대한 필요성 때문에 제한되며 결과적으로 구성 요소 표면의 응력 상태에 대한 정보 만 제공 할 수 있습니다. 단축 및 평면 응력 상태는 특히 스트레인 게이지를 사용하여 스트레인 측정 기술을 사용하여 비교적 간단하게 분석 할 수 있습니다. 3 차원 응력 상태는 세 번째 축, 즉 물체 내부를 따라 필요한 측정을 일반적으로 얻을 수 없기 때문에 문제가됩니다.

그러나 외력에 의해 스트레스를받는 3 차원 바디에서는 표면에서 최대 스트레스가 발생합니다! (예외 : Hertz 효과 문제) 일반적으로 최대 응력에만 관심이있는 설계자에게는 표면의 응력 결정만으로 충분합니다. 내부 프로세스는 덜 중요합니다.

3 차원 응력 상태는 변형이 세 번째 축, 즉 물체의 깊이를 따라 측정 될 수있는 경우에만 변형 측정을 사용하여 분석 할 수 있습니다. 이는 예를 들어 스트레인 게이지를 플라스틱 모델로 주조 할 수있는 모델 측정 기술에서 발견됩니다. 이는 타설하는 동안 콘크리트에 변형 측정 장비를 내장 할 수있는 토목 공학에서도 가능합니다.

측정된 스트레인에서 스트레스 결정

기계적 응력은 직접 측정 할 수 없습니다. X-ray 기술은 미세한 범위의 재료 응력이 결정 격자 구조의 왜곡, 즉 원 자간 분리의 상대적인 변화로부터 결정될 수있는 예외입니다. 이 공정은 약 5 ~ 15μm 깊이의 표면 근처 층으로 제한됩니다.

응력은 재료의 강도 이론에 따라 또는 스트레인 게이지 측정을 사용하여 계산됩니다.후자의 방법은 Hooke의 법칙을 기반으로합니다.기계적 응력은 응력 F의 몫과 응력을받는 재료의 단면적 A로 표현됩니다.

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