[공학실험]Arch Frame Structure Test 실험 예비 결과 레포트

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목차

1. 실험목적

2. 이론소개

3. 실험방법 및 절차

4. 해석결과와 실험 데이터 비교분석
4.1 Load - Displacement graph
4.2 Load - Strain graph

5. Ansys 해석 결과

6. 해석 및 고찰

본문내용

- Displacement graph(양단 고정시)
* 이론 변위
delta _{c} = {0.011661799R ^{3} P} over {EI}
E
를 50, 60, 65, 70 GPa 로 가정
60 GPa:
delta _{c} = {0.011661799 TIMES (58.5 TIMES 10 ^{-3} ) ^{3}} over {60 TIMES 10 ^{6} TIMES 5.625 TIMES 10 ^{-11}} P=6.92 TIMES 10 ^{-4} P``(mm)
65 GPa:
delta _{c} = {0.011661799 TIMES (58.5 TIMES 10 ^{-3} ) ^{3}} over {65 TIMES 10 ^{6} TIMES 5.625 TIMES 10 ^{-11}} P=6.36 TIMES 10 ^{-4} P``(mm)
70 GPa:
delta _{c} = {0.011661799 TIMES (58.5 TIMES 10 ^{-3} ) ^{3}} over {70 TIMES 10 ^{6} TIMES 5.625 TIMES 10 ^{-11}} P=5.93 TIMES 10 ^{-4} P``(mm)
④ Load - Strain graph(양단 고정시)
* 이론 변형률
epsilon = {sigma } over {E}
M=M _{0} -HR+VR# `````````=[0.110606528-(-0.5)+(-0.459138)] TIMES 58.5 TIMES 10 ^{-3} TIMES P# `````````=`0.008860908P
y=`- {t} over {2} `=`- {0.003} over {2} =`-0.0015
sigma =`- {M} over {I} y=236290.88P
,
epsilon = {sigma } over {E} = {236290.88} over {E} P
E
를 50, 60, 65, 70 GPa 로 가정
30 GPa :
epsilon = {236290.88} over {30 TIMES 10 ^{9}} P```=``7.876 TIMES 10 ^{-6} P
60 GPa :
epsilon = {236290.88} over {60 TIMES 10 ^{9}} P```=``3.939 TIMES 10 ^{-6} P
65 GPa :
epsilon = {236290.88} over {65 TIMES 10 ^{9}} P```=``3.635 TIMES 10 ^{-6} P
70 GPa :
epsilon = {236290.88} over {70 TIMES 10 ^{9}} P```=``3.375 TIMES 10 ^{-6} P
⑤ Load - Displacement graph(단순지지시)
⑥ Load - Strain graph(단순지지시)
5. ANSYS 해석 결과
(양단고정시)
- 65GPa시 ANSYS 해석결과
1)최소하중(12.2625N)
2)최대하중(147.15N)
- 30GPa시 ANSYS 해석결과
1)최소하중(12.2625N)
2)최대하중(147.15N)
22GPa시 ANSYS 해석결과
1)최소하중(12.2625N)
2)최대하중(147.15N)
(단순지지시)
(70GPa에서 49.05N)
하중작용점 변위: 0.17489(mm)
(70GPa에서 147N)
하중작용점 변위: 0.52468(mm)
(75GPa에서 49.05N)
하중작용점 변위: 0.16324(mm)
(70GPa에서 147N)
하중작용점 변위: 0.48971(mm)
6. 해석 및 고찰
-> 우리는 실험을 수행하기에 앞서 시편이 프레임에 양단고정으로 지지되어있을 것으로 예상하였다. 아치형 시편의 양단 모두 프레임에 고정된 상태이라고 가정하였다. 이론식을 통해서 해석했을 때 우리는 변위와 변형률에서 상당히 큰 오차를 얻게 되었다. 그래프에서 보이듯이 이론값에 비해서 실험치의 변위가 상당히 크게 나와서 마치 재료가 바위나 압축시의 콘크리트와 같은 양상을 보이게 되었다. 그래서 우리는 새로운 가정을 해보았다. 시편이 프레임으로 완전히 고정된 것이 아니라 수평방향으로의 변위를 허용할 수 있는 단순지지의 상태로 가정해 보았다. 시편의 한 쪽은 완전히 고정되고 다른 한 쪽은 수평으로의 변위를 허용하도록 설정해 놓고 해석을 시도해 보았다, 그 결과 알루미늄의 이론 탄성계수 값 70~79 사이 안으로 실험치가 들어가지 않았지만 양단 고정으로 가정한 경우에 비해서 그 오차가 상당히 줄어든 결과를 얻을 수가 있었다. 단순 지지로 해석한 경우에서도 우리는 변위의 오차가 변형률의 오차보다 상당히 크게 발생한 사실을 알 수 있었다. 오차의 원인은 다음의 이유들로 예상된다.
우선 시편의 상태가 나쁠 수 있다는 원인을 생각해 보았고, 하중 작용점의 위치가 정확히 시편의 중심이 아닐 수 있다, 변위 측정 시 다이얼 게이지의 오작동 및 눈으로 그 값을 읽음으로 얻어지는 오차도 무시할 수 없었다. 또한 스트레인게이지의 부착상태가 완벽하지 않을 수 있고, 그 위치 또 한 정확히 시평의 가운데가 아니었을 가능성도 있다, 또한 반복실험을 행할 수 없는 이유로 실험 자체의 신뢰도도 상당히 낮을 수가 있다는 원인을 생각해 보았다. 그리고 해석함에 있어서 계산의 오차도 무시할 수 없을 것이다. 변위의 오차가 변형률의 오차보다 더 크게 발생한 원인을 생각해보면 실험을 할 때 우리는 변형률을 계산이 아닌 실험 장치로부터 바로 얻을 수 있었기 때문에 상당히 정확한 값을 얻었다고 여겨지지만, 변위의 경우 다이얼 게이지를 이용해서 측정하였는데 실험 할 때 다이얼게이지의 상태가 최상의 상태가 아니었던 것 같았다. 또한 실험 시 다이얼게이지가 상당히 민감하게 반응하여 외부의 충격에 의해 그 값이 다르게 나왔을 가능성도 있다. 또한 장비가 디지털이 아닌 아날로그의 값이어서 눈으로 읽을 때 발생하는 오차 또한 변위의 오차가 변형률의 오차보다 더 크게 발생하게 만든 원인으로 여겨진다. 하지만 이런 오차의 이유에도 불구하고 우리는 이번 실험을 통해서 재료가 하중을 받게 되면 탄성영역 안에서는 재료가 하중을 받을 때 선형적으로 변한다는 사실을 확인할 수 있었다. 오차를 줄이지 못한 점이 끝내 아쉬웠지만 상당히 보람 있는 실험이었다.

키워드

Arch Frame,   Ansys,   Strain,   변형률,   Wheastone Bridge,   Castigliano,   굽힘 모멘트,   Strain Indicator