담당조교 : 이 충 희 보조조교 : 성명훈, 박용진, 김윤성

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1 담당조교 : 이 충 희 보조조교 : 성명훈, 박용진, 김윤성
기계항공공학실험 I -구조 재료 특성 실험- 담당조교 : 이 충 희 보조조교 : 성명훈, 박용진, 김윤성 기계항공공학부 항공우주구조연구실

2 실험목적 구조 재료 특성 실험에서는 구조물이 받은 하중인 인장, 비틀림, 모멘트 하중에 대해 구조 재료의 거동과 그 특성들에 관한 이해를 목적으로 한다. 탄성재료특성실험 변형센서로서 strain gauge부착, 측정실험 박스빔의 비틀림 및 전단실험 SNU Aerospace Structures Laboratory

3 실험항목 탄성재료특성실험 변형센서로서 strain gauge부착, 측정실험 박스빔의 비틀림 및 전단실험 인장시험
재료의 강도, 물성치 측정의 기본 변형센서로서 strain gauge부착, 측정실험 벤딩실험 외팔보(cantilevered) 빔의 모멘트하중에 의한 변형율 측정 모든 학생이 직접 스트레인 게이지를 구조물에 부착. 각자 붙인 게이지를 휘트스톤 브리지를 구성하여 측정. 박스빔의 비틀림 및 전단실험 토크실험 항공기 구조물에 대한 이해 One-cell, two-cell and three-cell로 구성된 구조물 SNU Aerospace Structures Laboratory

4 탄성재료 특성 실험 실험목적 용어정의 공칭응력(engineering stress)
항복점(yield point), 인장강도(ultimate tensile strength: UTS), 연신율(elongation), 단면수축율(reduction of area) 및 하중-신장량선도(load-extension diagram)등의 기계적 성질을 평가 비례한계(proportional limit), 탄성한도(elastic limit), 탄성계수(Young's modulus or modulus of elasticity), 포와송 비(Poisson ratio)와 같은 물리적인 특성을 시험 시험기의 조작을 숙지하고 활용할 수 있는 능력을 길러, 재료의 성질을 이해하고 기계설계의 기초자료로 이용 용어정의 공칭응력(engineering stress) 공칭변형율(engineering strain) 진응력(true stress) 진변형율(true strain) SNU Aerospace Structures Laboratory

5 탄성재료 특성 실험 용어정의 탄성계수(Young’s modulus) 프와송 비(Poisson’s ratio)
비례한계(proportional limits) 탄성한계(elastic limits) 항복점(yield point) 상항복점 하항복점 인장강도(ultimate tensile strength) 항복강도(yield strength) 연성(ductility) 인성(toughness) 넥킹(necking) SNU Aerospace Structures Laboratory

6 탄성재료 특성 실험 Steel(연강) 공칭응력-변형율 선도 알루미늄 및 동의 공칭응력-변형율 선도
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7 탄성재료 특성 실험 MTS 810 Material Testing System
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8 탄성재료 특성 실험 실험 시편 SNU Aerospace Structures Laboratory

9 변형센서로써 strain gauge부착, 측정실험
실험목적 Strain Gauge를 이용하여 변형을 측정. 외팔보의 변형을 측정하고 정해와 비교해봄으로써 원리 및 측정 방법을 익힌다. Strain Gauge를 개개인이 직접 시편에 붙여봄으로써 Strain Gauge의 정확한 사용법을 익힌다. 용어정의 Strain gauge Gauge factor Wheatstone bridge Quarter bridge, half bridge, full bridge Two-wire, three-wire SNU Aerospace Structures Laboratory

10 변형센서로써 strain gauge부착, 측정실험
측정하고자 하는 물체에 발생하는 변형량은 Backing 소재를 경유하여 변형량 감지 저항체에 전달되어서 수축-인장을 하게 된다. 이런 저항체의 변화는 전기저항값을 변화시키게 되고 시험편 또는 구조물이 변형을 받게 되면 이것에 접착된 저항체도 같은 변형이 생겨서 저항값의 변화를 가져오게 된다. 변형량과 저항변화 사이에는 일정한 관계가 있으며 이 저항값의 변화에서 변형량 값을 알아낼 수 있다 Strain gauge 선택시 고려사항 Gauge length and width Gauge pattern S-T-C Gauge 저항 - 120, 350 접착제 브리지 선택 증폭기 SNU Aerospace Structures Laboratory

11 변형센서로써 strain gauge부착, 측정실험
Wheatstone Bridge Bridge를 구성하는 저항이 모두 R로 동일하다면 전압,전류의 관계에 의해 저항 중 하나를 Strain Gauge로 바꾸면 스트레인 변화 ⇒ 게이지 저항의 변화 ⇒ 출력전압의 변화 ⇒ 변형률 계산 ⇒ 게이지 팩터 : 저항의 변화량과 변형률의 관계를 나타내는 무차원 계수 (실험에서는 GF = 2.1 이 사용됨) SNU Aerospace Structures Laboratory

12 변형센서로써 strain gauge부착, 측정실험
Quarter Bridge Rg = Strain Gage의 출력 저항 4개의 Bridge중 하나만 입력신호로 사용 출력의 크기와 상태가 상대적으로 좋지 않음 (근사된 식) 실제로는 도선의 저항 및 저항의 오차로 인해 평형상태 유지 불가 평형상태 유지(영점조정) 위한 회로 필요 → 가변저항 이용 SNU Aerospace Structures Laboratory

13 변형센서로써 strain gauge부착, 측정실험
Quarter Bridge에서 출력 전압 (E0) 계산 ① Rg=R+ΔR 일 때, GF=(ΔR/R)/ε 이고, ΔR<<R ② Resistor divider ΔR<<R 일 때, SNU Aerospace Structures Laboratory

14 변형센서로써 strain gauge부착, 측정실험
Half Bridge 2개의 Active arm으로 구성된 회로 측정치의 Sensitivity를 높일 목적으로 사용 (Quarter bridge의 약 2배) SNU Aerospace Structures Laboratory

15 변형센서로써 strain gauge부착, 측정실험
Full Bridge Full Active arm으로 구성된 회로 Sensitivity 최고, 외부 환경요인(온도) 상쇄 Load Cell을 만드는 회로에 사용 SNU Aerospace Structures Laboratory

16 SNU Aerospace Structures Laboratory http://aeroguy.snu.ac.kr
BRIDGE/STRAIN ARRANGEMENT DESCRIPTION OUTPUT EQUATION -E0/E IN mV/V SNU Aerospace Structures Laboratory

17 변형센서로써 strain gauge부착, 측정실험
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18 변형센서로써 strain gauge부착, 측정실험
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19 변형센서로써 strain gauge부착, 측정실험
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20 변형센서로써 strain gauge부착, 측정실험
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21 실험목적 박스빔의 비틀림 및 전단실험 용어 다중 셀 구조물 Rosette 스트레인 게이지 변형율의 좌표변환
비틀림 하중에 대한 구조물의 거동 one-cell, two-cell, 및 three-cell 로 구성된 구조물에 대한 비틀림율 및 전단흐름을 측정하고 비교함으로써 다중 셀로 이루어진 구조의 비틀림 하중에 대한 효율성을 이해. 용어 다중 셀 구조물 Rosette 스트레인 게이지 변형율의 좌표변환 SNU Aerospace Structures Laboratory

22 전단흐름 (shear flow) 박스빔의 비틀림 및 전단실험
: a shear force per unit length [N/m] Shear forces on the edges S: shear load l: edge length q: shear flow s: distance from the beginning point of the side Shear flows SNU Aerospace Structures Laboratory

23 기초이론 박스빔의 비틀림 및 전단실험 다중 셀 구조의 변형 전단흐름(N/m) 비틀림율(rad/m) One-cell Box
Two-cell Box Three-cell Box SNU Aerospace Structures Laboratory

24 박스빔의 비틀림 및 전단실험 길이 방향으로 양 끝에 같은 크기의 비틀림 하중이 작용하면 각 단면에서의 응력상태는 같다.
비틀림 하중에 의한 전단흐름을 측정하기 위하여 임의의 길이 방향 위치의 단면에 그림과 같이 스트레인 게이지를 부착한다. 스트레인 게이지의 출력으로부터 전단변형율(또는 전단흐름)의 측정 SNU Aerospace Structures Laboratory

25 박스빔의 비틀림 및 전단실험 변형율의 좌표변환 Rectangular rosette 인 경우에,
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26 박스빔의 비틀림 및 전단실험 SNU Aerospace Structures Laboratory

27 요약 탄성재료특성실험 변형센서로써 strain gauge 부착 및 측정실험 박스 빔의 비틀림 및 전단흐름 측정 인장실험
강과 황동에 대한 실험 조교가 실험장치 조작 변형센서로써 strain gauge 부착 및 측정실험 주어진 실험재료를 이용하여 다양한 모멘트 하중에 대해 각 조의 구성원들이 게이지를 부착하여 스트레인을 측정 박스 빔의 비틀림 및 전단흐름 측정 제작된 실험장치를 이용하여 다양한 토크에 대한 전단흐름과 비틀림 율 측정 수강생들이 직접실험 SNU Aerospace Structures Laboratory

28 실험일정 주 실험시간 실험항목 참조 인장실험 (301동 114호, 5시 00분) 벤딩실험 (302동 316-2호,
7시 00분) 비틀림실험 1주 4/5 (화) A1~A8 , B1~B8 , C1~C8 (오후 4~6시) 이론 2주 4/7 (목) A1~A4 B1~B4 C1~C4 실험 4/12 (화) A5~A8 B5~B8 C5~C8 3주 4/14 (목) 4/19 (화) 4주 4/21 (목) 4/26 (화) SNU Aerospace Structures Laboratory

29 조교 상황 담당 조교 보조 조교 이 충 희 (44동 203호, 880-7394, chlee@aeroguy.snu.ac.kr)
실험관리 보고서 채점 보조 조교 성 명 훈 : (44동 203호, , 인장 실험 담당 박 용 진 : (301동 1357호, , 벤딩 실험 담당 김 윤 성 : (44동 203호, , 비틀림 실험 담당 SNU Aerospace Structures Laboratory

30 유의사항 실험태도 평가 실험 태도 불량일 경우 감점 무단결석, 보고서 미제출 또는 COPY 시 0점 처리 결과보고서 개인별 보고서 제출 실험 후 일주일 이내로 제출 (EX. 화요일 실험 -> 그 다음주 화요일 8시까지) 반드시 손으로 작성하고, 특별한 언급이 없을 시 5장 이내로 할 것 (그래프 포함) 분량 초과시 감점 실험결과와 discussion만 쓰고, manual에 있는 내용은 포함시키지 말 것 결과값만 공유, 그래프는 개개인이 직접 작성 실험보고서 제출 각 실험 담당 조교에게 제출 인장실험: 성명훈, 벤딩실험: 박용진 , 비틀림실험: 김윤성 SNU Aerospace Structures Laboratory

31 탄성재료 특성 실험 결과 보고서에는, 실험에서 얻어지는 데이터로부터 적절한 보정을 통해 실험 목적에 부합하도록 탄성계수(Young’s modulus), 항복강도(yield strength), 인장강도(ultimate tensile strength) 등을 각 재료의 특성에 맞게 구하고, 이론 값과 비교한다. Engineering stress-strain, True stress-strain 등에 대한 고찰을 수행한다. +α SNU Aerospace Structures Laboratory

32 변형센서로써 strain gauge 부착, 측정 실험
결과 보고서에는, 실험에서 얻어지는 데이터로부터 적절한 보정을 통해 실험 목적에 부합하도록 stress-strain 그래프를 그리고, 재료의 탄성계수(Young’s modulus)를 이론 값과 비교한다. Strain gauge 의 원리 및 측정 방법, Wheatstone bridge 의 종류와 원리 등에 대한 고찰을 수행한다. +α SNU Aerospace Structures Laboratory

33 +α 박스빔의 비틀림 및 전단실험 결과 보고서에는,
다중 셀 구조의 비틀림 하중에 대한 효율성과 전단 흐름 (shear flow), 비틀림율 등에 대한 이해를 목적으로 한다. 다중 셀 구조의 응용 사례 등에 대한 고찰을 수행한다. +α SNU Aerospace Structures Laboratory