고온 디지털 영상 상관기법을 사용한 자체발광 구조물의 변형 계측 :High-temperature DIC deformation measurement of self-luminous structures

차웅걸

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자료유형: 학위논문

저자정보: 차웅걸 (건국대학교, 건국대학교 대학원)

지도교수: 구남서

발행연도: 2023

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2023

디지털 영상 상관기법과 유한요소해석을 사용한 고온 환경에서의 구조물의 열변형 계측 기법

차웅걸 , 레빈퉁 , 구남서 한국항공우주학회 학술발표회 초록집 2023.11 학술대회자료

고온 디지털 영상 상관기법을 사용한 자체발광 구조물의 변형 계측

차웅걸 항공우주정보시스템공학과 2023.01 학위논문

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본 연구에서는 적외선 열복사 가열장치를 사용하여 구조물을 가열하고 CCD 카메라를 사용하여 다양한 온도환경에서 구조물의 변형을 계측하였다. CCD 카메라를 사용하여 캡처한 이미지를 디지털 영상 상관 기법(DIC)을 사용하여 구조물의 전 영역 열변형을 측정하였다.
고온 열변형 계측을 위하여 세 가지 중요한 해결점이 필요하다. 스페클 패턴(Speckle pattern), 자체발광(Self-lumiouns) 현상과 열안개(Heat haze) 현상이다. DIC 기법에 사용되는 스페클 패턴은 고온에서 산화되어 색상이 변하거나 탈착될 수 있다. 본 연구에서는 고온 환경용 특수 스페클 패턴을 제작하고 도포하였다. 자체발광은 구조물이 고온에서 파장이 짧고 에너지가 강한 빛을 방출하는 현상을 말한다. 카메라 센서는 해당 파장의 빛에 민감하므로 캡처한 이미지가 포화하여 비상관화 된다. 이를 해결하기 위하여, 대역 통과 필터와 블루라이트를 사용하여 일정한 범위 내의 빛만 통과하게 하여 선명한 이미지를 획득하였다. 열안개 현상은 고온으로 의하여 구조물 앞쪽의 공기가 왜곡되면서 측정 오차가 발생하는 현상이다. 실험장치 앞쪽에 새로운 패널을 추가하고 두 패널 사이에 두꺼운 단열재를 추가하여 열안개 현상을 최대한 완화하였다.
측정한 스테인레스 스틸 304의 열팽창계수가 문헌에서 주어진 기준값과 거의 일치한다는 것을 통하여 본 연구에서 제안된 기법의 정확성을 확인하였다. 결론적으로 적외선 복사 가열장치와 고온 DIC 기법을 통하여 고온 환경 아래의 구조물의 열변형 측정 방법을 정확하게 제시하였다.

The measurement of thermomechanical properties of structures at high temperatures is crucial for understanding the behavior of structures under extreme conditions. In this study, the goal is to measure the coefficient of thermal expansion of materials at 800℃. To achieve this, an infrared radiation heater device was used to heating the structure, and CCD cameras were used to record images of the specimen under various temperatures. The digital image correlation (DIC) method was then used to determine the full-field thermal deformation of the specimen.
There are three main challenges in high-temperature thermal deformation measurement: speckle pattern oxidation, self-luminous, and heat haze effect. The speckle pattern used in the DIC method may oxidize and lose its color under high temperatures or even peel off. Self-luminescence occurs when the surface temperature of the measured object increases, causing a shift in the corresponding thermal radiation wavelength towards the visible short-wave direction and entering the sensitive wavelength region of the camera''s photosensitive chip. This leads to significant image enhancement and decorrelation effects. Heat haze is caused by the distortion of air in front of the specimen due to high temperatures, which can lead to significant measurement errors. To overcome these challenges, I used a special speckle pattern for high-temperature measurement for spraying to prevent speckle pattern oxidation. I also used a band-pass filter and monochromatic light to overcome the self-luminous phenomenon of the object. In addition, thermal insulation was added in front of the specimen to mitigate the heat haze phenomenon.
The experimental results confirmed the effectiveness of the DIC method in measuring the full-field thermal deformation of structures at high temperatures. The measured coefficient of thermal expansion closely matched the reference values, demonstrating the reliability and accuracy of the method. In conclusion, the combination of an infrared radiation heater device and the DIC method provides a reliable and accurate approach for evaluating the coefficient of thermal expansion of structures at elevated temperatures.

#Digital image correlation #Thermal deformation measurement #Self-luminous #Speckle pattern #Heat haze effect #Coefficient of thermal expantion

제1장 서론-----------------------------------------------------1
제1절 연구배경-----------------------------------------------1
제2절 문헌조사-----------------------------------------------4
제3절 연구목적-----------------------------------------------5
제2장 이론적 배경---------------------------------------7
제1절 DIC 기법----------------------------------------------7
제2절 열변형 계측--------------------------------------------8
제3절 선형 열팽창계수 계산------------------------------------9
제4절 자체발광 현상-----------------------------------------10
제3장 실험----------------------------------------------------13
제1절 실험 시편 준비----------------------------------------13
제2절 가열 시스템 디자인-------------------------------------15
3.2.1. 개념 설계--------------------------------------------15
3.2.2. 슈테판-볼츠만 법칙------------------------------------15
3.2.3. 뷰 팩터---------------------------------------------16
3.2.4. 방사율과 흡수율---------------------------------------17
3.2.5. 온도 제어--------------------------------------------20
제3절 실험 장치 구축----------------------------------------21
제4절 자체발광 현상 극복------------------------------------23
제5절 열안개 현상------------------------------------------27
제4장 결과 및 분석---------------------------------------------31
제5장 결론----------------------------------------------------39
제1절 연구 결론---------------------------------------------39
제2절 추후 연구---------------------------------------------39
참고문헌------------------------------------------------------41
국문초록------------------------------------------------------45

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