십자형 시편의 다축 응력 상태

대부분의 엔지니어링 구조물은 하중이나 기하학적 또는 재료의 이질성 등에 기인하는 복잡한 다축 응력의 영향을 받습니다. 그러나 연구실에서의 시험은 대부분 간단한 시편으로 단축 방향의 응력을 받는 크립(creep), 준정적시험(quasi-static) 또는 피로(fatigue) 시험과 같은 다른 종류의 부하 형태를 주로 사용합니다. 디자인을 바탕으로 하는 단축 시험 데이터와 부품에 미치는 다축 응력의 기능성 동작 사이의 대비 때문에 이 둘 사이의 상호 관련성을 더 잘 이해하기 위한 연구 노력이 더욱 많이 이뤄지고 있습니다.

직접 이축 시험을 가하는 시편은 4개의 직교하는 액추에이터를 사용하여 평면으로 부하를 가하는 십자 형태의 크루시폼(cruciform)입니다. 인스트론에서는 불필요한 동작과 시편의 휘어짐을 없애고 시편 중심의 움직임을 제어할 수 있는 시험 시스템을 개발하였습니다. 종래의 유압식 시험기(servohydraulic testing machine)에서는 시편의 한쪽 끝을 고정시키고 반대쪽은 인장(tension) 혹은 압축(compression)으로 액추에이터로 부하를 가하였습니다. 대부분의 시험의 경우 이는 매우 만족스러운 작동법입니다. 그러나 이는 반복 피로시험 동안 시편의 중심이 움직인다는 것을 인식할 필요가 있습니다. 특정 시험의 경우 시편의 중심은 고정되어 있어야 합니다. - 예를 들면 시험 진행 도중 시편의 중심을 현미경으로 관찰해야 하는 경우입니다. 이런 시험에서는 두 번째 액추에이터를 추가하여 변형이 시편의 양쪽에 가해지도록 해야 합니다. 따라서 두 개의 액추에이터와 시편의 중심 위치와 시편 양 끝단에 가해지는 전체 변형이란 두 개의 변수가 제어되어야 합니다. 자연스러운 액추에이터와 제어 변수의 짝을 지을수 없기 때문에 제어 문제가 발생합니다. 다시 말하면 각 액추에이터의 움직임이 시편의 중심 위치와 변형 모두에 영향을 준다는 얘기입니다.

시편의 각 끝단의 동일한 변형은 중심 위치의 움직임이 없도록 하는 것입니다. 즉 같은 방향에 있는 각 액추에이터의 변위가 중심 위치를 변형이 생기지 않도록 움직이는 것입니다. 각 루프(loop)는 독립적으로 작동되며 액추에이터에 가해지는 in-phase 와 out-phase 구동 신호 사이의 상호 작용도 없습니다. 두 개의 마주보는 액추에이터로 설명되는 이 기본 원리는 네 개의 십자형 시험 방법에도 적용할 수 있습니다. 시험은 변형 (strain) 또는 하중 제어 모드로 시행할 수 있습니다. 최근에 설치된 Cruciform system은 열팽창과 탄성 신율 성분에 대하여 실시간으로 전체 신율 신호가 보정되어야 하는 복잡한 열피로시험(TMF test)을 위하여 디자인 되었습니다.

인스트론의 크루시폼 시스템(cruciform systems)은 100 kN 또는 250 kN 용량을 사용할 수 있으며 아주 높은 정렬성과 강한 하중 프레임을 갖고 있으며 고충실도의 실(seal)이 없는 하이드로스테틱 베어링 액추에이터를 사용함으로써 시편 제어에 탁월한 기능을 발휘하여 줍니다. 이 시스템은 8800 Series Digital Controller 와 잘 조합되어 사용되며 새로운 WaveMatrix™ 피로시험용 소프트웨어는 복잡한 다축 시험에도 쉽게 사용할 수 있도록 되어 있습니다.