초고속으로 비행하는 비행체 구조물의 표면온도는 공력가열로 인하여 1000 °C 이상으로 상승하게 되는데 이로 인하여 많은 안전 문제가 발생하게 된다. 예를 들면, 열변형, 열응력 뿐만 아니라 탄성계수의 급감, 허용응력 급감 등 문제를 야기한다. 또한 온도의 변화와 구조물의 경계조건에 따라 구조물의 내부에는 열변형과 열응력이 생성된다. 때문에, 구조물을 디자인 할 때 구조물의 표면 온도와 열변형 및 열응력을 계측하고 이에 따라 재료의 선택 및 구조물의 안전설계를 적용할 필요가 있다. 구조물의 변형을 계측하는 전통적인 방법에는 변형률 게이지를 사용하는 방법과 접촉식 고정밀 변위센서를 사용하는 방법이 있다. 하지만 이 방법들은 구조물에 센서를 부착해야 하는 단점과 센서를 부착한 부위만 측정 된다는 단점이 존재한다. 광학적인 방법으로 구조물 전체 영역의 변위를 계측하는 방법인 레이저 스페클 상관기법, 모아레 간섭법 및 광탄성 효과를 이용한 계측기법이 있다. 하지만, 이들은 측정 과정이 복잡하고 장비가 상대적으로 고가라는 단점들이 존재한다. 전통적인 측정기법으로 시편 구조물의 열변형을 계측은 어렵지 않지만 복잡한 구조물의 변형 및 구조물 사이의 복잡한 상호작용을 측정함 있어서 일정한 한계가 있다. 최근, 전통적인 방법을 보완한 새로운 측정기법인 디지털 영상 상관기법의 연구 및 이를 이용하는 응용연구가 많은 주목을 받고 있다. 디지털 영상 상관 기법은 구조물의 변형전과 변형 후의 영상을 비교하여 구조물 전체의 변형을 계측하므로 구조물에 센서를 부착할 필요도 없고 계측과정이 상대적으로 간단하다. 지금까지 기계적 변형, 열변형, 동적 변형, 충격, 파단 등 많은 연구에 응용하였으며 구조물이 얇고 유연하여 센서를 부착하지 못하는 구조물의 계측에서 뛰어난 성능을 발휘하였다. 특히, 구조물 전체 영역의 변형을 계측할 수 있어서 구조물 사이의 상호작용을 정확하게 측정 가능하다. 측정방법, 가격, 결과의 정확도 등 여러 가지 요소를 다른 계측 방법과 비교하였을 때 디지털 영상 상관 기법은 제일 우수한 성능을 나타내었다. 본 연구는 디지털 영상 상관 기법을 이용하여 금속 및 복합재료 구조물의 열변형, 열좌굴 및 구조물의 사이의 상호작용을 계측하였다. 구체적으로 알루미늄 링과 티타늄 링으로 구성된 이중 링 구조물의 열변형 및 열응력 계측, 티타늄 링과 알루미늄 원판으로 구성된 구조물에서 원판의 열좌굴 현상 및 티타늄 링과 원형 래미네이트 복합재료의 열좌굴 현상을 계측하였다. 또한, 디지털 영상 상관 기법은 영상처리기법을 바탕으로 하는 기법이므로 변형을 측정하고 계산하는 과정에서 발생되는 에러에 대하여 평가를 하여 보다 정학한 측정결과를 획득하기 위하여 노력하였다. 마지막으로 측정한 계측결과의 정확성을 확인하기 위하여 유한요소해석기법을 사용하여 구조물의 열변형 및 열좌굴 현상을 분석하고 측정한 결과와 비교를 하였다.
In a high speed flight, the surface temperature of supersonic and hypersonic aircrafts and space crafts over 1000 °C due to transient aerodynamic heating. Structures under a wide range of temperatures have been challenged by thermal problems, such as significant reduction in Young’s modulus, reduction in allowable stresses and time-dependent material behavior come into play. Furthermore, the thermal deformation and thermal stress are developed inside the structures when the structures are subjected to temperature change as well as boundary conditions. Therefore, thermal strain and thermal stress distributions of structures, as well as accurate temperature distribution are important in designing aircraft structures and selecting suitable materials. Traditionally, strain gauge and linear voltage displacement transducer have been used to measure the deformation of structures. However, these contact methods need to attach the sensors on the structures and the measured data were pointwise values. The optical measurement method, such as laser speckle correlation, Moire interferometry and photoelastic method can overcome the problems. But, most of the methods have limitations, such as operational difficulty and quality of measurement result. Furthermore, the traditional measurement methods have limitations for complex structures or the interaction between structures. Recently, digital image correlation technique which uses digital images to measure full-field deformation of structures comes into the spotlight. Digital image correlation technique calculates the deformation of structures using the reference image and deformed images, which means this method does not require attaching sensors on the structures. Many applications, such as deformation test, dynamic deformation test, fracture mechanics test and thermal deformation test were performed using digital image correlation technique until now. Moreover, this method was helpful for measuring the thin, flexible and small structures and their interaction. The digital image correlation technique is considered the most promising optical full-field measurement method in terms of the level of operational difficulty, price, and quality of measurement results. In this study, the thermal deformation, thermal buckling and interaction behaviors of metallic and composite structures were measured using digital image correlation technique. The thermal deformation of titanium ring and aluminum ring structure and the thermal buckling behavior of aluminum plate and composite structure were measured. In addition, the error estimation procedures were performed to reduce the error from measurement. Finally, in order to confirm the thermal deformation result, finite element analysis were performed using the ABAQUS software. The deformation results from the digital image correlation technique and finite element analysis were compared.