피로시험

피로 시험은 쿠폰이나 구조물에 반복 하중을 가하여 수행하는 기계적 시험의 전문 형식이다. 이러한 시험은 피로 수명과 균열 성장 데이터를 생성하거나, 중요한 위치를 식별하거나, 피로에 취약할 수 있는 구조물의 안전성을 입증하는 데 사용된다. 피로 시험은 쿠폰에서 자동차, 항공기 등 실물 크기 시험 용품에 이르기까지 다양한 구성품에 사용된다.

시편에 대한 피로 시험은 일반적으로 큰 가변 진폭 주기 부하를 적용할 수 있는 서보 유압 시험 기계를 사용하여 실시한다.^[2] 일정한 진폭 시험은 더 단순한 진동 기계에 의해서도 적용될 수 있다. 쿠폰의 피로 수명은 쿠폰을 깨는 데 걸리는 사이클 수입니다. 이 데이터는 스트레스-수명 또는 긴장-수명 곡선을 만드는 데 사용될 수 있다. 쿠폰의 균열성장률도 시험 중 또는 프랙토그래피를 사용하여 측정할 수 있다. 쿠폰 시험은 균열성장률에 영향을 미칠 수 있는 온도, 습도 및 환경을 제어할 수 있는 환경 챔버 내부에서도 실시할 수 있다.

풀사이즈 테스트 용품의 크기와 독특한 형태 때문에 일련의 유압 또는 전기 액추에이터를 통해 하중을 가할 수 있는 특수 테스트 장비가 구축된다. 액추에이터는 구조물에 의해 경험되는 중요한 하중을 재현하는 것을 목표로 하며, 항공기의 경우 기동, 돌풍, 뷔페 및 지상 지상(GAG) 하중으로 구성될 수 있다. 구조물의 안전수명이 입증되거나 수리가 필요한 고장이 발생할 때까지 대표적인 시료 또는 하중 블록을 반복하여 적용한다. 구조물에 적재 셀, 스트레인 게이지, 변위 게이지 등의 계측기를 설치하여 정확한 하중이 적용되었는지 확인한다. 시간 감지 가능한 균열이 발견되었는지 확인하기 위해 구멍 및 부속물과 같은 임계 응력 농도 주변의 구조물에 대한 정기 검사를 실시하고, 균열이 발생하는 것이 시험품의 다른 영역에 영향을 미치지 않도록 한다. 모든 하중을 적용할 수 있는 것은 아니기 때문에, 불균형 구조 하중은 일반적으로 언더캐리지와 같은 중요하지 않은 구조를 통해 시험 바닥으로 반응한다.

내공성 표준은 일반적으로 대형 항공기의 안전 수명을 결정하기 위해 인증 전에 피로 시험을 수행해야 한다.^[3] 소형 항공기는 계산에 의해 안전성을 증명할 수 있지만 일반적으로 관련된 추가적인 불확실성 때문에 더 큰 산란 또는 안전 요인을 사용한다.

쿠폰 테스트

피로시험은 피로수명을 예측하기 위해 균열성장방정식과 함께 사용할 수 있는 피로균열의 성장률 등 재료 데이터를 얻기 위해 사용된다. These tests usually determine the rate of crack growth per cycle ${\displaystyle da/dN}$ versus the stress intensity factor range ${\displaystyle \Delta K=K_{\max }-K_{\min }}$, where the minimum stress intensity factor ${\displaystyle K_{\min }}$ corresponds to the minimum load f아니면 R>0{\displaystyle R>0}과 R에 0≤ 0{\displaystyle R\leq 0}, 그리고 R{R\displaystyle}은 취한 스트레스 비율 R)Kmin/K({\displaystyle R=K_{\min}{\max}}.Standardised 테스트, 응력 확대 계수eas 수 있도록 반복 정밀성을 보증하기 위해 발전되고 있다.ily 드종단 처리되었지만 쿠폰이 대부분 탄력적일 정도로 크면 다른 모양을 사용할 수 있다.^[4]

쿠폰 모양

다양한 쿠폰을 사용할 수 있지만, 일반적인 쿠폰의 일부는 다음과 같다.

• 컴팩트 텐션 쿠폰(CT) 이 소형 시료는 균열 성장 측정에 사용되는 시료의 최소량을 사용한다.^[4] 콤팩트한 장력 시료는 일반적으로 쿠폰의 구멍보다 약간 작은 핀을 사용하여 하중을 가한다. 그러나 이 방법은 0에 가까운 하중의 정확한 적용을 방지하므로 음의 하중을 가해야 할 때는 쿠폰을 사용하지 않는 것이 좋다.^[4]
• 중앙 균열 장력 패널(CCT) 중심 균열 장력 또는 중간 장력 시료는 손잡이에 부착하기 위해 두 개의 구멍을 포함하는 평평한 시트 또는 막대로 만들어진다.
• 싱글 에지 노치 텐션 쿠폰(SENT)^[5] 싱글 에지 쿠폰은 콤팩트 장력 쿠폰의 긴 버전이다.

응력 강도 범위 공식

콤팩트 장력 시료 권장 두께는 / < > W/ ${\displaystyle W/20<B<W/4}$ 입니다[4] 콤팩트 쿠폰에 대한$$ 응력 강도 ${\displaystyle \mathrm{범위}}$ $\Delta {\displaystyle \mathrm{}}$ K ${\displaystyle \Delta$ K$}$은(는) $너비{\displaystyle }$ B ${\displaystyle B}$의 표본에 대해$$ 적용된 $하중{\displaystyle }$ P ${\displaystyle P}$에서 다음과$$[4] 같이 계산할 수 있다. ${\displaystyle \Delta K={\frac {\Delta P}{B{\sqrt {W}}}}{\frac {(2+\alpha )}{(1-\alpha )^{3/2}}}(0.886+4.64\alpha -13.32\alpha ^{2}+14.72\alpha ^{3}-5.6\alpha ^{4})}$ 여기서 $\alpha {\displaystyle }$= ${\displaystyle a}$/ W ${\displaystyle \alpha =a/W}$과$($와) {\$displaystyle a}$은 균열 길이$,$ W {\$displaystyle W}$은(와) 쿠폰의 후면과 적용된 하중 사이의 거리다. 방정식은 />.2 ${\displaystyle a/W>0.2}$에 유효하다 중앙 균열 장력 검체 이 쿠폰은 길이 ${\displaystyle 2}$ a ${\displaystyle 2a}$의 중앙 균열이 있다$.$ 다음과 같은 경험적 기준을 사용하여 선형 탄성 파단 역학의 가정이 충족될[4] 수 있을 만큼 표본이 충분히 크다는 것을 보장한다. ${\displaystyle W-2a\geq {1.25P_{\max}\{}\over B{\sigma_{\rm{ys}}}}}$ 여기서 $\sigma {\displaystyle {}_{}}$ y ${\displaystyle {\mathrm{s}}_{}}$ ${\$은(는) 오프셋 항복 응력 0.2%이고$$ $B{\displaystyle }$ ${\displaystyle B}$은(는) 쿠폰 두께다. 쿠폰의 응력 강도 범위는 다음에서[4] 계산할 수 있다. ${\displaystyle \Delta K={\frac {\Delta P}{B}}{\sqrt {{\frac {\pi a}{2}W}}\sec {\frac {\pi a}{2}}}$ 단일 가장자리 균열 시료 옆면 균열이 있는 이 쿠폰은 $a{\displaystyle }$ ${\displaystyle a}$ 입니다$.$ 시료의 최소 크기는 다음과[4] 같다. ${\displaystyle W-a\geq {\frac {4}{\pi }}\왼쪽({K_{\rm {max}}) \오버 \sigma_{\rm {ys}\rigm}\오른쪽)^{2}}$ 이[4] 쿠폰의 응력 강도 범위는 ${\displaystyle \Delta K=\왼쪽({\frac {\Delta P}{B{\sqrt{W}}}\오른쪽)F}$ $여기$서 F ${\displaystyle F}$은(는) ${\displaystyle F=\alpha ^{\frac {1}{1}{1}:{2}}(1.4+\alpha )(1-\alpha )^{\frac {3}{2}}G}$ $G{\displaystyle }$ ${\displaystyle G}$은(는) ${\displaystyle G=3.97-10.88\알파 +26.25\알파 ^{2}-38.9\알파 ^{3}+30.15\알파 ^{4}-9.27\알파 ^{5}}}$ 및 $\alpha {\displaystyle }$= ${\displaystyle a}$/ ${\displaystyle W}$ ${\displaystyle \alpha =a/W$

계측

쿠폰 테스트 모니터링에는 일반적으로 다음과 같은 계측기가 사용된다.

• 스트레인 게이지는 균열 팁 주위에 가해지는 하중 또는 응력장을 감시하는 데 사용된다. 그것들은 균열의 경로 아래 또는 컴팩트한 장력 쿠폰의 뒷면 위에 놓일 수 있다.^[6]
• 균열 입구에서 균열 팁 개구부 변위를 측정하기 위해 확장계 또는 변위 게이지를 사용할 수 있다. 이 값은 균열의 길이에 따라 달라지는 응력 강도 계수를 결정하는 데 사용할 수 있다. 변위 게이지는 균열 폐쇄를 측정하기 위해 반대편 균열면 사이의 접촉이 발생할 때 쿠폰의 적합성 및 하중 주기 동안의 위치를 측정하는 데도 사용할 수 있다.
• 적용된 시험 하중은 보통 로드 셀이 있는 시험 기계에서 모니터링된다.
• 이동 광학 현미경은 균열 팁의 위치 측정에 사용할 수 있다.

풀 스케일 피로 시험

풀스케일 시험은 다음을 위해 사용할 수 있다.

1. 제안된 항공기 정비 일정을 확인한다.
2. 광범위한 피로 손상에 취약할 수 있는 구조물의 안전성을 입증한다.
3. 피로 데이터 생성
4. 균열 시작 및 성장 패턴에 대한 기대치를 검증한다.
5. 중요한 위치 식별
6. 항공기 설계 및 제조에 사용되는 소프트웨어의 유효성을 확인한다.

광범위한 피로 손상이 문제가 될 수 있는 정도를 결정하기 위해 피로 시험을 사용할 수도 있다.

시험품목

인증은 시험 기사에 의해 경험된 전체 하중 이력을 알고 회계처리해야 한다. 기존에 정전기증 시험에 사용한 시험용품을 사용하면 과부하가 가해져 피로균열 증가 속도를 늦출 수 있는 문제가 발생했다.

시험 하중은 일반적으로 변형률 게이지, 압력 게이지, 부하 셀, LVDT 등을 포함하여 시험 물품에 설치된 계측기에서 수천 개의 입력 데이터를 수집하는 데이터 수집 시스템을 사용하여 기록된다.

피로 균열은 일반적으로 응력 농도나 재료 및 제조 결함과 같은 높은 응력 영역에서 발생한다. 시험 기사가 이 모든 특징들을 대표한다는 것은 중요하다.

균열은 다음 발생원에서 발생할 수 있다.

• 일반적으로 높은 주기 카운트 동적 부하에서 조바심 발생.
• 간섭 장착 고정 장치를 위한 잘못 드릴링된 구멍 또는 잘못된 크기의 구멍.^[7]
• 재료 처리 및 파손된 포함과 같은 결함.^[8]
• 구멍 및 필릿과 같은 응력 농도.
• 긁힌 자국, 충격 손상

로딩 순서

대표적인 하중 블록은 구조물의 안전 수명이 입증되거나 수리가 필요한 고장이 발생할 때까지 반복적으로 적용된다. 시퀀스 크기는 지연 효과를 유발할 수 있는 최대 하중이 시험 전체에서 일반적으로 10회 이상 충분히 자주 적용되도록 선택되어 시퀀스 효과가 없다.^[9]

적재 순서는 일반적으로 적용하는데 너무 오랜 시간이 걸리는 작은 비-피로 손상 주기의 적용을 제거하기 위해 필터링된다. 일반적으로 두 가지 유형의 필터링이 사용된다.

1. 데드밴드 필터링은 +/-3g와 같은 특정 범위에 완전히 속하는 작은 사이클을 제거한다.
2. 상승-하강 필터링은 1g과 같이 특정 범위보다 작은 사이클을 제거한다.

대형 구조물의 시험 속도는 일반적으로 몇 Hz로 제한되며 구조물의 공명 주파수를 피해야 한다.^[10]

테스트 리그

시험 품목 또는 계측기의 일부가 아닌 모든 구성부품을 시험 장비라고 한다. 일반적으로 풀 스케일 피로 시험에서 다음과 같은 구성부품을 확인할 수 있다.

• 휘플렛트리스. 구조물의 다양한 부분에 정확한 하중을 가하기 위해, Whiffletree라고 알려진 메커니즘을 사용하여 하중 작용기에서 시험 물품으로 하중을 분배한다. 중심점에 가해지는 하중은 일련의 핀 접합 연결 빔을 통해 분산되어 엔드 연결부에서 알려진 하중을 생성한다. 각 끝 연결부는 일반적으로 항공기 날개와 같은 구조물에 부착되는 패드에 부착된다. 보통 수백 개의 패드가 적용되어 날개에서 보이는 공기역학적 및 관성하중을 재현한다. 휘플릿리는 장력 연결로 구성되기 때문에 압축 하중을 가할 수 없으므로, 독립 휘플릿리는 일반적으로 날개 피로 시험의 상부와 하부에 사용된다.
• 유압, 전자기 또는 공압식 액추에이터는 직접 또는 하중을 분배하기 위해 휘플릿리를 사용하여 구조물에 하중을 가하는 데 사용된다. 로드 셀은 액추에이터와 인라인으로 배치되며, 로드 컨트롤러가 액추에이터에 가해지는 부하를 제어하기 위해 사용한다. 유연한 테스트 구조에서 많은 액추에이터를 사용할 경우 서로 다른 액추에이터 사이에 교차 상호 작용이 있을 수 있다. 부하 제어기는 이러한 상호작용의 결과로 구조물에 모의 부하 주기가 적용되지 않도록 해야 한다.
• 반응억제장치. 공기역학 및 내부 힘과 같은 많은 하중은 피로 시험 중에 존재하지 않는 내부 힘에 의해 다시 작용한다. 따라서 하중은 언더캐리지와 같은 중요하지 않은 지점이나 기체의 구속장치를 통해 구조물 밖으로 반응한다.
• 선형 가변 차동 변압기를 사용하여 구조물의 중요한 위치의 변위를 측정할 수 있다. 이러한 변위 제한은 구조물이 고장 났을 때 신호를 보내고 시험을 자동으로 종료하는 데 사용할 수 있다.
• 대표성이 없는 구조. 일부 시험 구조는 비싸거나 사용할 수 없을 수 있으며 일반적으로 동등한 구조로 시험 구조물에 대체된다. 작동기 부착점에 가까운 구조물은 이러한 영역을 대표하지 않는 비현실적인 하중을 볼 수 있다.

계측

피로 시험에는 일반적으로 다음과 같은 계측기가 사용된다.

• 계량기
• 가속도계
• 변위계
• 세포를 적재하다
• 균열 센서
• 구조 상태 모니터링 센서

시험 품목에 비행대 항공기 모니터링에도 사용되는 스트레인 게이지를 설치하는 것이 중요하다. 이를 통해 비행대 항공기의 피로 수명을 추적하는 데 사용되는 시험 물품에 대해 동일한 손상 계산을 수행할 수 있다. 이것은 비행대 항공기가 피로 시험에서 결정된 안전 수명을 초과하지 않도록 하는 일차적인 방법이다.

검사

검사는 피로 시험의 구성요소를 구성한다. 주변 구조물의 손상을 최소화하고 인접 구조물의 인증에 최소한의 영향을 미치는 수리를 개발하기 위해서는 각 부품의 인증 수명을 결정하기 위해서는 검출 가능한 균열이 언제 발생하는지 아는 것이 중요하다. 비파괴 검사는 시험 중에 수행할 수 있으며, 파괴 시험은 구조물이 하중 전달 용량을 유지하는지 확인하기 위해 시험이 끝날 때 사용할 수 있다.

인증

시험 해석 및 인증에는 피로도 시험의 결과를 사용하여 항목의 안전 수명 및 작동을 정당화하는 것이 포함된다.^[11] 인증의 목적은 서비스 실패 확률을 수용할 수 있을 정도로 작게 하는 것이다. 다음과 같은 요소를 고려해야 할 수 있다.

• 시험 횟수
• 시험 구조물의 대칭과 적용 하중
• 수리 설치 및 인증
• 요인을 흩뿌리다.
• 재료 및 제조 공정의 변동성
• 환경
• 비판성

일반적으로 공기성 표준은 피로 균열의 존재로 인해 구조물이 저하된 상태에서도 항공기가 안전성을 유지하도록 요구한다.^[12]

주목할 만한 피로 시험

• F-111의 냉간 내하중 시험. 이러한 시험에는 임계 파괴 크기를 줄이기 위해 냉각된 항공기에 정적 한계 하중을 적용하는 것이 포함되었다. 시험을 통과했다는 것은 커다란 피로 균열이 존재하지 않는다는 것을 의미했다. 균열이 생겼을 때 날개는 대재앙으로 고장났다.^[8]
• 국제 Follow-On 구조 피로 시험 프로그램(IFOSTP)은 F/A-18 호넷 피로를 시험하기 위해 호주, 캐나다, 미국이 합작한 프로그램이다. 호주의 테스트는 전기동적 셰이커와 공압 에어백의 사용을 포함, 전기 충격 뷔페 부하를 높은 각도로 시뮬레이션했다.^[13][14]
• 드 하빌랜드 혜성은 피로 테스트를 받았음에도 불구하고 궁극적으로 피로임이 입증되는 일련의 치명적인 실패를 겪었다.
• 110개의 무스탕 날개 세트에 대한 피로 테스트를 실시하여 피로 수명의 산란을 측정하였다.^[10]
• 소설 No Highway와 영화 No Highway in the Sky는 여객기 동체의 허구적인 피로 실험에 관한 것이었다.
• 피로검사도 너무 작아 검출이 불가능한 피로균열을 키우는 데 활용됐다.^[15]

참조

추가 읽기

• Widespread fatigue damage in military aircraft (PDF). Retrieved 26 June 2019.
• Boyer, H.E. "Fatigue Testing". Retrieved 26 June 2019.

외부 링크

"Boeing 787 conducts fatigue testing". Retrieved 18 July 2019.