초고속 3D 디지털 영상 상관기법을 활용한 알루미늄-5052 합금 평판의 고온 모달 해석 = High-Temperature Modal Analysis of Al-5052 Alloy Plate using High-Speed 3D Digital Image Correlation Technique

국문 초록 (Abstract)

극초음속 비행체와 우주 환경에서 운용되는 발사체는 불균일 고온의 열진 동 환경을 겪게 된다. 따라서 설계단계에서 불균일 고온 환경에서의 모달 해석이 필요하다. 불균일 고온 환경을 겪는 구조물의 경우, 온도 차이가 급 격한 환경에서는 모드 쉬프팅(mode shifting)이 나타난다. 이 경우, 기존에 파악하지 못한 구조물의 동적 거동으로 인해 안전성, 피로수명에 영향을 미 칠 수 있으므로 관련 연구가 필요하다. 본 연구에서는 상용 유한요소해석 ABAQUS® 프로그램을 활용하여 알루 미늄-5052 합금 평판에서의 균일, 불균일 고온 환경에서의 모달 해석을 진행하였다. 또한, 초고속 3D 디지털 이미지 상관기법(High-Speed 3D DIC Technique)을 활용하여 알루미늄-5052 합금 평판의 균일, 불균일 고 온 환경에서의 모달 계측을 수행하고 ZEISS®의 ODS 프로그램을 활용하여 분석하였다. 추가적으로 실제 고온 환경에서 온도분포를 적외선 카메라로 분석한 결과 모든 경우에서 불균일한 온도 분포를 보이는 것을 확인하였으 며, 이를 유한요소해석에 적용 후 계측 결과와 비교하였다. 유한요소해석을 활용한 고온 모달 해석 결과, AR 1.5 평판의 경우 불균일 150℃와 175℃ 사이에서 모드 쉬프팅이 식별되었으며 AR 1.33 평판의 경 우 불균일 125℃와 150℃ 사이에서 모드 쉬프팅이 식별되었다. 다만, 실제 실험 환경에서 급격한 온도 차이를 부여하지는 못하여 실험을 통해 모드 쉬 프팅을 관찰하지는 못하였다. 향후 이를 보완하기 위한 실험 장치의 구성을 제시하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Hypersonic vehicles and launch vehicles operating in space are subject to non-uniform, high-temperature thermal and vibration environments. Therefore, modal analysis in these environments is essential during the design phase. Structures subjected to non-uniform, high-temperature environments exhibit mode shifting when subjected to rapid temperature differences. This shifting can impact structural safety and fatigue life due to unidentified dynamic behavior, necessitating further research. In this study, we conducted modal analyses of aluminum-5052 alloy plates in both uniform and non-uniform high-temperature environments using the commercial finite element analysis program ABAQUS® . Furthermore, we utilized the high-speed 3D digital image correlation technique (DIC) to perform modal measurements of the aluminum-5052 alloy plates in both uniform and non-uniform high-temperature environments, and analyzed them using the ZEISS® ODS program. Additionally, temperature distributions in actual high-temperature environments were analyzed using an infrared camera. All cases exhibited non-uniform temperature distributions. This was then applied to finite element analysis and compared with the measured results. High-temperature modal analysis using finite element analysis revealed mode shifting between non-uniform temperatures of 150°C and 175°C for the AR 1.5 plate, and between non-uniform temperatures of 125°C and 150°C for the AR 1.33 plate. However, due to the inability to generate abrupt temperature differences in an actual experimental environment, mode shifting was not observed experimentally. A proposed experimental setup to address this issue is presented.

목차 (Table of Contents)

• 표목차 iii
• 그림목차 iv
• 국문초록 vii
• 제1장 서론 1
• 제1절 연구배경 1
• 제2절 연구목적 3
• 제2장 유한요소해석을 활용한 모드 쉬프팅 식별 5
• 제1절 알루미늄-5052 합금 평판의 물성치 5
• 제2절 유한요소해석 조건 6
• 제3절 유한요소해석을 통한 모드 쉬프팅 식별 결과 8
• 2.3.1 AR 1.5 평판의 균일 가열 해석 결과 8
• 2.3.2 AR 1.5 평판의 불균일 가열 해석 결과 및 모드 쉬프팅 식별 12
• 2.3.3 AR 1.33 평판의 균일 가열 해석 결과 17
• 2.3.4 AR 1.33 평판의 불균일 가열 해석 결과 및 모드 쉬프팅 식별 20
• 제3장 고온 모달 계측 및 유한요소해석 24
• 제1절 실험 장치 및 실험 방법 24
• 제2절 실측 평판 온도 분포를 반영한 유한요소해석 온도조건 부여 29
• 제3절 계측 및 유한요소해석 결과 비교 32
• 3.3.1 AR 1.5 평판에 대한 균일 가열 시 모달 계측 및 유한요소해석 결과 32
• 3.3.2 AR 1.5 평판에 대한 불균일 가열 시 모달 계측 및 유한요소해석 결과 34
• 3.3.3 AR 1.33 평판에 대한 균일 가열 시 모달 계측 및 유한요소해석 결과 36
• 3.3.4 AR 1.33 평판에 대한 불균일 가열 시 모달 계측 및 유한요소해석 결과 38
• 제4장 결론 및 향후 연구 계획 41
• 제1절 결론 41
• 제2절 향후 연구 계획 42
• 참고문헌 43
• 부록 49
• ABSTRACT 64