[자연과학]기계공학실험 - 광탄성 실험

기계공학실험
-광탄성실험-

1. 실험목적

광탄성 실험의 원리와 개념을 이해하고 광탄성 감도 측정법, 광탄성 실험에 의한 응력집중계수 측정법, 그리고 광탄성 실험에 의한 구조물의 모델 해석 방법 등을 습득한다.

2. 기초이론

(1)광탄성 응력해석의 원리

투명한 탄성체가 외력을 받아 그 내부의 임의의 점에 의 주응력이 발생할 때 이 점을 지나는 빛에 대하여 모델이 일시적으로 이중 굴절성을 나타낸다. 일시적 이중굴절 현상에 의해 빛은 두 개의 광파로 갈라져서 위상차가 발생한다. 이러한 위상차의 크기가 주응력차에 비례하는 관계가 성립한다. 광탄성 원리를 이용하여 얻은 등색선 무늬와 등경선 무늬로서 어떤 구조물이나 모델의 응력상태를 분석하는 것을 광탄성 응력해석법이라 한다. 일반적으로 광탄성 실험장치는 크게 그림1의 (가)투과형 광탄성 실험장치와 (나)반사형 광탄성 실험장치로 나눌 수 있다. 투과형 광탄성 실험장치는 주로 모델시편의 응력해석에, 반사형 광탄성 실험장치는 실제 구조물의 응력해석에 사용된다.

(가) 투과형 광탄성 실험장치 (나) 반사형 광탄성 실험장치

그림 1 광탄성 실험장치

(2) 광응력 법칙 및 광탄성 감도

탄성체 내에서 굴절율의 변화는 주응력에 비례한다는 이론이 1853년 Maxell에 의해 알려졌으며 식(1)과 같이 표현되어진다.
(1)
는 무늬차수(N)로 표현되어지므로
(2)
이를 광응력법칙(Stress-Optic law)이라하며, 를 광탄성 감도라고 하고 특정한 광파장 와 모델의 광학적 특성 c에 관계되는 재료의 물성치이다. 근래에 광탄성 재료로 주로 이용되고 있는 에폭시의 감도는 정도이다.

(3) 응력집중 계수

일반적으로 응력집중 계…

3. 실험장치 및 실험 방법

(1) 에폭시 판재를 이용하여 광탄성 감도 측정용 인장 시편을 그림3과 같이 가공한다.

(2) 가공된 시편을 하중장치에 장착하고, 무늬차수(N)가 정수 차수로 증가할 때마다 그 때의 하중을 읽어 기록한다.

(3) 탄성한도를 넘지 않는 범위까지 하중을 증가시키며, 이와 같은 방법을 3회 반복한다.

(4) 식(2)를 이용하여 광탄성 감도를 계산하고, 평균치를 구한다.

(5) 등색선 무늬 사진상에 무늬차수를 표시하고 응력분포도를 작성한다.

4. 실험결과