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캘빈 구조체로 이상화된 다공질 재료의 기공율과 음탄성과의 상관관계 연구
김노유(Nohyu Kim),최민주(Min Joo Choi) 한국비파괴검사학회 2021 한국비파괴검사학회지 Vol.41 No.6
본 논문에서는 다공질 재료의 불규칙한 미세구조를 캘빈 단위셀로 이루어진 규칙적인 패턴의 캘빈 구조체로 이상화하고 이 재료의 음탄성 특성과 기공율(porosity)과의 상관관계를 이론과 초음파 시험을 통해 조사하였다. 다공질 재료의 미세 구조를 다면체(polyhedron)인 캘빈 구조체로 가정하여 다공질 재료의 다양한 공극률을 이 다면체의 형상특성 변수들로 표현하고 이 변수들을 이용하여 재료의 탄성계수를 표현함으로서 캘빈 구조체 모델의 기공율과 음탄성 특성과의 상관관계를 이론적으로 평가하였다. 또한 캘빈 구조체의 기공율을 62%에서부터 95%까지 변화시킨 3D CAD 모델을 설계한 후 3D 프린터로 제작하여 초음파 시험을 통해 음속을 측정하고 탄성계수를 계산함으로서 기공율 변화에 따른 캘빈 구조체의 음탄성 특성을 실험적으로 조사하였다. 초음파 음속시험으로 결정된 탄성계수는 기공율의 증가에 따라 모재인 ABS 플라스틱 탄성계수의 11%에서 0.5%까지 선형적으로 크게 감소하는 것으로 나타났으며 이론 및 경험식에 의해 계산된 결과와 비교해 잘 일치하는 것으로 확인되었다. In this paper, a Kelvin structure is proposed to model the irregular and complex microstructures of porous materials. The effect of the porosity of the Kelvin-structured model of porous materials on acoustoelastic characteristics, such as sound speed and elastic modulus, is investigated. A generalized tetrakaidecahedron, the so-called Kelvin cell, is introduced and a mathematical model of the microstructure of porous materials is developed using the geometric parameters of the open Kelvin cell. The porosity and acoustoelastic characteristics of the Kelvin model were calculated and compared with experimental results. To determine the effect of the porosity of the Kelvin structure on the acoustoelastic properties, eight Kelvin-structured samples with porosities ranging from 62% to 95% were fabricated using a 3D printer and tested using an ultrasonic pulse-echo method to measure the speed of sound in the specimen. The elastic modulus determined from the ultrasonic sound speed decreased from 11% that of the bulk material (ABS plastic) to 0.5%, as the porosity increased from 62% to 95%, which is consistent with theoretical and empirical results.
김노유(Nohyu Kim),양승용(Seungyong Yang) 한국비파괴검사학회 2012 한국비파괴검사학회지 Vol.32 No.4
비선형 스프링 모델과 섭동법을 기초로 비선형 균열면에 경사 입사된 초음파에 의해 발생되는 2차 고조파 초음파의 크기를 계산하였다. 비선형 균열계면에서 만들어지는 반사파와 굴절파의 기본주파수 성분과 2차 고조파 성분의 크기를 입사각과 균열계면의 계면강성을 변화키면서 조사하였다. 계면강성에 관계없이 균열계면이 초음파 진행 방향과 비슷한 경우 반사와 굴절파 모두에서 2차 고조파의 발생은 거의 없었지만, 그렇지 않은 경우에는 계면 입사각은 물론 계면 강성에 따라 2차 고조파의 크기는 크게 변화하였다. 투과파는 물론 반사파에서도 2차 고조파 성분이 유의성 있게 발생됨을 수치 해석을 통해 확인하였다. Based on the nonlinear spring model coupled with perturbation method, 2nd harmonic waves generated by oblique incident ultrasound on nonlinear crack interface were calculated and investigated. Reflected and transmitted waves from the interface were determined and analyzed at various angle of incidence for the cracks with different interfacial stiffness in order to estimate the 2nd harmonic generation of incident ultrasound. It was shown in computer simulation that the 2nd harmonic components changed much with the increase of incidence angle in both reflected and transmitted wave, but became very small when the incident angle approached toward 90 degree. It can be concluded that the 2nd harmonic component of reflected wave has a meaningful amplitude as much as the transmitted 2nd harmonic wave from partly closed crack.
X-ray 후방산란 기술을 이용한 항공기용 복합재료의 다중 층간 박리 평가
김노유(Nohyu Kim) 한국비파괴검사학회 2010 한국비파괴검사학회지 Vol.30 No.1
항공기용 복합재료 내부 여러 층에서 발생하는 박리를 정량적으로 평가하기 위한 X-ray 후방산란 검사장치를 개발하였다. 복합재료 두께방향으로의 역산란 밀도변화로부터 층간 박리를 검사하는 슬릿 방식의 카메라와 컴퓨터로 제어되는 X-ray 선원, 그리고 센서로 구성되는 X-ray 후방산란장치를 제작하여 그 성능을 충격하중에 의해 만들어진 인공결함시편을 이용해 검증하였다. 결함평가를 위해 복합재료내 산란장의 크기를 이론적으로 계산하는 수학적 해석 모델을 볼츠만 방정식을 이용하여 제안하였으며 적응필터 알고리즘을 사용하여 산란 노이즈를 최소화 하였다. 다중 박리 결함을 X-ray 후방산란장치를 통해 효과적으로 검출하였으며, 박리 위치와 박리 상태를 모두 정확하게 검사할 수 있음을 실험을 통해 확인하였다. A Compton X-ray backscatter technique has been developed to quantitatively assess impact damage in quasi-isotropic laminated composites made by a drop-weight tester. X-ray backscatter imaging system with a slit-type camera is constructed to obtain a cross-sectional profile of impact-damaged laminated composites from the electron-density variation of the cross section. A nonlinear scattering model based on Boltsman equation is introduced to compute Compton X-ray backscattering field for the defect assessment. An adaptive filter is also used to reduce noises from many sources including quantum noise and irregular distributions of fibers and matrix in composites. Delaminations masked or distorted by the first delamination are detected and characterized effectively by the Compton X-ray backscatter technique, both in width and location, by application of error minimization algorithm.
보빈 치아 균열의 적외선 열화상 검사 가능성에 관한 실험적 연구
김우재(Woojae Kim),양승용(Seungyong Yang),김노유(Nohyu Kim) 한국비파괴검사학회 2011 한국비파괴검사학회지 Vol.31 No.5
보빈 치아 균열을 능동형 적외선 열화상 기술을 이용하여 가시화 하였다. 보빈 치아에 인공 크랙을 발생시킨 후, 외부에서 사인파 형태의 열을 가하면서 보빈 치아에서 방사되는 적외선을 적외선 카메라로 측정하여 이미지화 하였다. 열원의 조화주기와 동기시켜 순차적으로 측정한 보빈 치아의 이미지로부터 열원과의 위상정보를 추출한 후 이를 다시 영상화 하여 위상 이미지를 생성하였다. 실험 결과로부터 육안이나 종래의 수동형 적외선 이미지에서는 검출하기 어려웠던 치아 크랙이 본 연구와 같은 능동적 적외선 검사방법을 통하여 보다 효과적으로 검사 할 수 있는 가능성을 확인하였다. Bovine incisor was investigated using active infrared thermography(IRT) to visualize crack on bovine teeth. An artificial crack was carefully created in bovine incisor sample by compression load of universal tensile machine. While applying a sinusoidal heat wave to the cracked bovine incisor through halogen lamp, consecutive digital infrared images was captured from the sample surface at a frequency synchronized with heat excitation. Phase information of thermal image was calculated by four-point correlation method and processed to produce the phase image of bovine incisor. This phase image showed clearly the crack on the incisor, which was hardly detected in traditional passive thermography.