ARCH 프레임 구조 실험

소개글

ARCH 프레임 구조 실험에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. 실험 목적

2. 실험 장치/이론

3. 실험 방법/절차

4. 실험 이론

5. 실험 결과 및 분석

본문내용

면적의 변화율은 다음과 같다.
이 때 변형율(strain) ε은 무차원이고, 일반적으로 μst(micro strain, 10-6 )으로 표시한다. 저항 변화율은 다음과 같다.
고려되는 변형율 범위에서는 금속 비저항의 변화율은 무시할 수 있으므로 다음과 같이 근사적으로 표현할 수 있다.
여기서 F를 게이지 상수(gauge factor)라고 하는데, 사용하는 저항선 재료에 따라 달라지나 대체적으로 2정도의 특성치를 가진다. 변형율을 전압변화의 식으로 나타내는 이유는 data acquisition system은 주로 전압신호를 받아들이기 때문이다. 전압신호로 데이터를 받아들인 후, 위 식을 이용해서 변형율로 변화한다. 실제로 더미 저항들은 스트레인게이지용 앰프에 내장되어 있다. 스트레인게이지를 앰프에 연결하기만 하면 Wheatstone Bridge회로가 구성되도록 있다. 게다가 앰프는 회로에서 나오는 미약한 출력전압 신호를 증폭시켜주는 역할을 한다.
* Quarter Bridge Configurations
ε =
[Vr = 실험 Volt, GF(gauge factor) : 2.08, Rl : 도선의 저항, Rg : gauge 저항 0]
○ MTS 만능(인장) 시험기
3.실험 방법/절차
○ Strain gage 부착
① Solvent 로 시편의 표면에 묻어 있는 oil 등의 불순물을 제거한다.
② 고운 사포로 부드럽게 문질러서 표면이 매끄럽게 되도록 연마한다.
③ M-Prep Conditioner A로 Gage 와 터미널을 붙일 부분을 잘 닦아낸다.
④ 면봉에 M-Prep Neutrailizer 5A를 묻힌 후 닦여진 표면에 얇게 펴서 잘 바르고,완전히 마를 때까지 기다린다.
⑤ 연필 등으로 시편의 표면에 흠집이 나지 않도록 주의하여 Gage를 붙일 위치를 표시한다.
⑥ 특수 테이프에 Gage 와 터미널을 약 5mm 간격으로 정 중앙에 오도록 조심스럽게 부착한 후 Gage가 시편에 표시한 부분에 정확히 오도록 주의하여 접착시킨다. 이때, 테이프를 완전히 부착시키지 말고 나중에 다시 쉽게 뗄 수 있도록 반만 붙이도록 한다.
⑦ M-Bond 200 catalyst를 브러쉬에 적신 후, 테이프를 조금 떼어내어 Gage 와 터미널 전체에 고루 바른다.
⑧ M-Bond 200을 테이프가 붙어있는 뿌리쪽에 한두 방울 떨어드린 후, Gage에 접착제가 잘 번지도록 끝에서부터 잘 밀어 퍼트린다.
⑨ 접착제가 다 마른 후, Gage와 터미널이 손상이 가지 않도록 테이프만 잘 떼어낸다.
○ Soldering
① 납땜이 잘 붙도록 납땜할 부위에 Soldering Paste Flux를 바른다. Paste를 바를 때는 너무 많이 발라 납이 주위에 번지지 않도록 해야한다.
② 납땜기의 온도는 약 200～300도가 되도록 맞추고, 납이 납땜기 끝에 눌러 붙거나, Gage가 망가지지 않도록 신속하게 납땜을 한다.
③ Gage 와 터미널을 연결한 후, 터미널과 외부 장치로 연결하는 선을 부착시킨다.
④ Gage 가 손상되지 않도록 테이프 등으로 보호하여 놓는다.
4.실험 이론
-MTS만능기로 시편의 양쪽을 단단히 고정하였으므로, 양단이 고정되어 있다고 볼 수 있다.
굽힘모우멘트에 의한 탄성에너지만을 고려하기 때문이고 이므로 기본식은 다음과 같이 된다.
에 의하여 지점 B의 각 미지반력 방향의 변위를 구함에 있어 M은
위에 주어져있고 는 다음과 같이 된다
(1)
세 식을 에 대입하면
(a)
(b)
(c)
식 (a), (b), (c)를 정돈하고 고정단의 세 변위는 모두 이므로 을 이용하여
연립방정식을 풀면
,
여기서 는 R에도 관계됨을 본다.
Arc frame에 걸리는 strain energy는
이고 C 점에서 발생하는 변위는 이다.
, w=0.03m , t=0.002m
실험에서 라고 생각하면 는 다음과 같다.
일 때는 이고, 일 때는 이다.
이론적인 Strain값은 다음과 같다.
Arch frame의 힘을 받는 정점에서 방향의 미소길이를 단순보로 가정하여 계산한다.
이때 이다. 그리고 위의 기본식들을 적용하여 보았다.
Strain gage가 부착되어 있는 맨 아래지점에서의 는 다음과 같다.
Strain은 다음과 같이 나타난다.
실험에서 로 정하였으므로 는 다음과 같다.
∴ (P는 N단위)
일 때 , 일 때 이다.
5.실험 결과 및 분석
1) Load-Displacement의 관계 그래프
그래프를 보면 실험값의 그래프는 일정한 직선 형태의 기울기를 보이다가 어느 영역 이상에서는 그래프의 기울기가 작아지게 된다. 이 부분이 탄성영역에서 소성영역으로 변화해 가는 구간으로 볼 수 있다.
소성변형(plastic deformation)은 가해진 응력이 제거된 후에도 원래의 형태를 회복하지 못하고 영구변형을 남기는 경우를 말한다. 반대로 탄성변형은 강체에 가해지던 응력을 제거하면 잔여 변형율을 남기지 않고 완전히 원래의 형태로 돌아가는 것을 말한다.
탄성영역에서는 하중의 변화 정도에 따른 변위의 크기가 일정하게 나타나지만, 소성 영역에서는 탄성영역보다 상대적으로 작은 하중으로 같은 크기의 변위를 얻을 수 있다.
실제 값과 이론값의 차이가 많은 것을 볼 수 있는데. 이는 프레임의 양 끝단 고정시 완전하지 못한 접촉 불량과 스트레인 게이지를 프레임에 부착해서 쓰는 관계로 역시 긴밀하지 못한 접촉 상태 등으로 프레임의 변위를 정확히 찾아내기 힘든 점으로 생각된다.
2) Load-Strain의 관계 그래프
이 그래프 역시 실험값과 이론값의 차이를 볼 수 있다. 역시 스트레인 게이지와 프레임 양끝단의 긴밀하지 못한 접촉 상태로 인한 정확한 변위의 측정이 불량한 것으로 볼 수 있다. 프레임의 각 양끝단에서 받는 전단력, 수직반력, 모멘트도 고려해 볼 문제다. 이런 요인들의 실제현상과 이론현상에서의 차이가 위와 같은 그래프를 나타내게 한다고도 생각 할 수 있다.
실험을 통해서 실제 실험현상에서는 탄성변형과 소성변형 구간을 확인하는 결과를 그래프로 확실히 알 수 있었다. 실험에서 쓰인 재료는 알루미늄 합금으로 위와같은 그래프를 얻었지만 다른 재료를 사용하면 그 재료에 상응하는 탄성변형과 소성변형을 거칠 것이다.

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