적용 사례
Revealer 고속 3D-DIC로 분석한
복합재료 인장-굽힘 하중 변형률 진화 사례
복합재료는 건축 구조재, 교량, 풍력 블레이드처럼 높은 강도와 경량성이 요구되는 구조 부품 분야에서 주목받고 있습니다. 하지만 실제 사용 환경에서는 인장이나 굽힘이 단독으로 작용하기보다 지진, 횡풍, 반복 하중과 같이 여러 하중이 동시에 영향을 주는 경우가 많습니다.
이러한 복합하중 조건에서는 변형이 어디에서 시작되고, 손상이 어떤 방향으로 집중되며, 최종 파괴까지 어떻게 이어지는지를 전장 데이터로 확인하는 것이 중요합니다. Revealer 고속 3D-DIC 시스템을 활용해 대나무 섬유 복합재의 정적·동적 기계적 거동과 변형률 진화 과정을 분석한 연구 사례를 소개합니다.
📌 이번 글 미리보기
▲ 연구팀은 대나무 섬유 복합재를 대상으로 인장-굽힘 복합하중 조건에서 하중 속도와 사전 인장력이 손상 및 파괴 양상에 미치는 영향을 분석했습니다.
▲ 고속 3D-DIC 시스템은 시편 표면의 스페클 이미지를 고속으로 동기 촬영해 특정 지점이 아닌 전장 변형률 분포와 손상 진화 과정을 시각화하는 데 활용되었습니다.
▲ 실험 결과, 사전 인장력이 커질수록 변형률은 더 좁은 영역에 집중되었고, 파괴 양상은 연성 거동에서 취성 거동으로 전환되는 경향을 보였습니다.
복합하중 조건에서 전장 변형률 분석이 필요한 이유
본 연구에 사용된 대나무 섬유 복합재는 높은 비강도와 친환경성을 바탕으로 건축용 보, 교량, 풍력 터빈 블레이드 등 다양한 구조 분야에 적용 가능성이 있는 소재입니다. 다만 인장과 굽힘이 동시에 작용하는 조건에서는 내부 변형과 파괴 메커니즘이 복잡하게 나타납니다.
특히 하중 속도, 사전 인장력, 섬유 배열, 수지 계면 상태에 따라 손상 발생 위치와 진행 경로가 달라질 수 있습니다. 이때 스트레인 게이지와 같은 점 단위 측정 방식은 특정 위치의 변형률만 확인할 수 있어 전체 변형률 분포와 국부 손상 영역의 형성 과정을 파악하는 데 한계가 있습니다.
연구팀은 이러한 한계를 보완하기 위해 비접촉식 전장 변형률 측정 기술인 3D-DIC를 적용했습니다. 3D-DIC는 시편 표면의 스페클 패턴을 촬영한 뒤 이미지 상관 분석을 통해 변위와 변형률을 계산하며, 시편 표면 전체의 변형률 변화를 시간 흐름에 따라 분석할 수 있습니다.
01
전장 변형률
시편 표면 전체의 변형률 분포 확인
02
손상 진화
초기 변형부터 파괴 직전까지 변화 추적
03
복합하중
인장과 굽힘이 중첩된 조건 분석
04
파괴 예측
위험 영역과 파괴 모드 정량 분석
실험 구성 : Revealer 고속 3D-DIC 시스템 적용
그림 1. Revealer 고속 3D-DIC 시스템 및 현장 시험 플랫폼
본 실험은 길림대학교에서 자체 개발한 현장 시험 플랫폼을 기반으로 진행되었습니다. 측정 장비로는 Revealer 고속 3D-DIC 시스템이 사용되었으며, 1280×1024 해상도에서 초당 13,600fps 촬영이 가능한 X213 고속카메라 2대가 적용되었습니다.
두 대의 카메라는 복합하중이 작용하는 동안 시편 표면의 스페클 이미지 시퀀스를 동기화해 기록했습니다. 동시에 로드셀과 레이저 변위 센서를 통해 하중과 변위 등 거시적인 기계적 데이터도 함께 취득했습니다.
측정 구성 포인트 Revealer 고속 3D-DIC 시스템은 복합하중 조건에서 시편 표면의 변위와 변형률 변화를 전장 데이터로 기록했습니다. 이를 통해 하중과 변위 같은 거시적 데이터뿐 아니라, 손상이 어느 위치에서 시작되고 어떻게 집중되는지도 함께 분석할 수 있었습니다.
실험 방법
시편 준비
시편은 밀도 958 kg/m³, 페놀 수지 함량 15~20%의 대나무 섬유 복합재로 제작되었습니다. DIC 분석을 위해 표면에는 흰색 베이스 코팅을 적용하고, 그 위에 무작위 검정 스페클 패턴을 분사했습니다.
측정 방식
목표 사전 인장력을 먼저 가해 일정하게 유지한 뒤, 중앙부에 굽힘 하중을 추가로 부여했습니다. Revealer 고속 3D-DIC 시스템은 시험 전 과정에서 시편 측면의 스페클 이미지 변화를 기록했습니다.
1) 순수 축 방향 인장 시험
하중 속도는 2, 20, 200 mm/min 조건으로 설정했으며, 각 속도 조건마다 5회 반복 시험을 수행했습니다.
2) 3점 굽힘 시험
스팬 100 mm, 압입자 직경 10 mm 조건에서 진행했습니다. 이 조건은 사전 인장력 0 N이 적용된 인장-굽힘 복합하중의 특수 조건으로 해석할 수 있습니다.
3) 인장-굽힘 복합하중 시험
하중 속도 2, 20, 200 mm/min와 사전 인장력 2000, 4000, 6000 N 조건을 조합했으며, 각 조건별로 5회 반복 시험을 수행했습니다.
사전 인장력에 따른 전장 변형률 진화 분석
전장 변형률 데이터는 복합재료의 손상 진화와 파괴 메커니즘을 이해하는 핵심 자료입니다. Revealer 고속 3D-DIC 시스템으로 취득한 전장 변형 맵을 통해 사전 인장력과 하중 속도가 변형률 집중에 미치는 영향을 정량적으로 확인할 수 있었습니다.
그림 2. 인장-굽힘 복합하중 조건에서의 전장 축 방향 변형률 진화 맵
위 조건에서는 하중 속도 2 mm/min에서 사전 인장력이 0 N, 2000 N, 4000 N, 6000 N으로 달라질 때 축 방향 변형률이 어떻게 변화하는지 확인했습니다. 각 결과는 초기 단계, 중간 단계, 파괴 전 단계로 구분해 분석되었습니다.
0 N 사전 인장 조건
시편 중앙부 인장 측에서 약한 축 방향 인장 변형이 시작된 뒤, 변형률 집중 밴드가 섬유 방향을 따라 세로로 확장되었습니다. 파괴 직전에는 누적된 변형률로 인해 다중 계면 박리와 매트릭스 균열이 관찰되었습니다.
2000 N 사전 인장 조건
사전 인장으로 형성된 변형률이 비교적 균일하게 분포했으며, 이후 굽힘 하중이 더해지면서 중앙부에 변형률이 집중되었습니다. 다만 세로 방향 확산은 0 N 조건보다 줄어들었습니다.
4000 N 사전 인장 조건
높은 수준의 사전 변형률이 먼저 형성되었고, 굽힘 단계에서는 변형률이 시편 중앙의 작은 영역에 더욱 국부적으로 집중되었습니다. 고변형률 밴드의 폭이 좁아지고 경계부의 변형률 구배도 급격하게 변화했습니다.
6000 N 사전 인장 조건
매우 높은 사전 인장 변형률 배경이 형성되면서, 굽힘 변형률은 중앙부의 좁은 밴드 안으로 강하게 집중되었습니다. 이는 파괴 처짐 감소와 취성 파괴 전환을 설명하는 중요한 전장 변형률 근거로 해석됩니다.
분석 포인트 사전 인장력이 높아질수록 굽힘 변형을 수용할 수 있는 여유가 줄어들고, 이후 추가되는 굽힘 변형률은 더 좁은 영역에 집중되었습니다. 연구팀은 이를 일종의 경화된 구속 효과로 해석했으며, 파괴 양상이 연성에서 취성으로 바뀌는 현상과도 연결했습니다.
순수 축 방향 인장 조건에서 확인한 5단계 손상 진화
연구팀은 순수 축 방향 인장 시험에서도 전장 종방향 변형률 진화 맵을 취득했습니다. 이를 통해 균일 변형 상태에서 국부 손상 영역이 형성되고, 최종적으로 임계 파괴 밴드가 나타나는 과정을 5단계로 구분했습니다.
그림 3. 순수 축 방향 인장 조건에서의 전장 종방향 변형률 진화 맵
1단계. 초기 균일 변형 초기에는 변형률 수준이 낮고 거의 균일하게 분포했습니다. 이는 섬유 방향을 따라 비교적 안정적인 변형이 발생했음을 의미합니다.
2단계. 전체 변형률 증가 하중이 증가하면서 변형률 진폭은 커졌지만, 전반적인 분포는 여전히 균일한 상태를 유지했습니다.
3단계. 변형률 국부화 시작 섬유 다발 배열이나 수지 함량이 높은 영역과 관련된 미세한 변형률 집중점이 나타나기 시작했습니다.
4단계. 국부화 심화 여러 변형률 집중점이 연결되면서 단면을 가로지르는 변형 국부화 밴드가 형성되었습니다. 내부 응력은 손상 밴드로 재분배되는 양상을 보였습니다.
5단계. 임계 파괴 밴드 형성 지배적인 변형률 국부화 밴드가 단면 전체를 관통했습니다. 밴드 내부의 변형률은 한계 수준까지 빠르게 증가했고, 외부 영역은 탄성 하중 감소를 보여 거시적 균열 발생이 임박했음을 나타냈습니다.
복합재료 파괴 예측을 위한 전장 변형률 측정의 중요성
이번 연구는 Revealer 고속 3D-DIC 시스템을 활용해 복합재료의 인장-굽힘 복합하중 조건에서 발생하는 정적·동적 기계적 거동을 분석한 사례입니다. 전장 변형률 맵을 통해 사전 인장력과 하중 속도가 손상 모드, 변형률 집중, 최종 파괴 양상에 미치는 영향을 구체적으로 확인할 수 있었습니다.
하중 속도가 증가할수록 손상 모드는 계면 박리 중심에서 섬유 파단 중심으로 변화했으며, 최대 굽힘 하중과 소산 에너지는 증가하는 경향을 보였습니다. 또한 사전 인장력이 커질수록 최대 굽힘 하중과 유효 굽힘 탄성률은 증가했지만, 파괴 처짐과 총 파괴 변형률은 감소했습니다.
특히 전장 변형률 데이터는 사전 인장 조건에서 변형률이 어떻게 축적되고, 이후 굽힘 하중이 더해질 때 어느 영역으로 집중되는지를 시각적으로 보여주었습니다. 이는 복잡한 응력장 진화, 위험 영역 정량화, 복합재료의 파괴 예측에 3D-DIC 기반 전장 분석이 중요한 역할을 할 수 있음을 보여줍니다.
✅ 비접촉 방식으로 시편 전체 변형률 분포 측정
✅ 고속 촬영을 통한 동적 손상 순간 포착
✅ 인장-굽힘 복합하중 조건의 변형률 집중 분석
✅ 사전 인장력에 따른 연성·취성 파괴 전환 확인
✅ 5단계 손상 진화 과정의 정량적 시각화
✅ 구조 부품 안전성 평가와 파괴 예측 데이터 확보
Revealer 고속 3D-DIC 적용 분야
복합재료 시험
섬유 복합재, 적층재, 친환경 소재의 변형률 분포 및 손상 진화 분석
구조 부품 평가
건축용 보, 교량 부재, 풍력 블레이드 등 구조 부품의 안전성 검증
파괴·충격 분석
고속 변형, 균열 발생, 국부 손상 집중, 파괴 직전 거동 분석
제품 상담 및 기술 문의
초고속카메라 · 고출력LED조명 · 3D솔루션
📞 070-5208-7772
✉️ optolink.mkt@gmail.com
💬
온라인 문의하기
📝 공식 블로그 https://blog.naver.com/optolink
🎥 공식 유튜브 https://www.youtube.com/@optolink_official
🌐 공식 홈페이지 https://optolink.co.kr
