3D 내부 변위 (Displacement) 및 변형 률 (Strain) 측정
미세 구조를 기계적 거동 (Mechanical behavior)과 연결하는 것은 산업 분야에서 고성능 부품을 설계하는데 중요
실험실 / 싱크로트론 X 선 단층 촬영, 광학 단층 촬영 (OCT, OST) 및 MRI와 같은 3D 이미징 기술을 통해 연구자는 높은 공간 해상도 (미크론 규모까지) 및 시간 해상도 (초 이내)로 현장 (In Situ, 원위치에 있는 그대로의 상태) 실험을 수행 할 수 있습니다.
- 이러한 기술은 이질성 (Heterogeneities)에 의해 유도된 국소화, 성분들 간의 열적 불일치, 미세 균열, 피로 거동 및 위상 전이와 같은 복잡하고 매우 짧은 현상을 포착하는데 특히 적합.
- DVC (Digital Volume Correlation)는 재료의 자연스러운 질감을 활용하며 최근에는 실험 역학 (Experimental mechanics), 재료 과학 및 생체 역학에서 강력한 비 접촉식 벌크 변형 측정 기술로 부상.
Amira-Avizo Software는 사용자가 물체의 변형 과정에서 획득한 볼륨 이미지에서 3D 전체 필드 변위 및 변형 맵을 계산할 수 있는 올인원 이미지 분석 플랫폼 입니다.
- 다상 (Multiphase) 물질에서의 변형률 전달, 균열과 관련된 기공 성장 / 유착 (Coalescence) 및 균열 개방 변위 (Crack opening displacement, COD)와 같은 변형에 의한 미세 구조 변화를 정량화 하기 위해 정교한 방식으로 데이터를 시각화하고 분석할 수 있음.
디지털 볼륨 상관을 위한 솔루션
XDigitalVolumeCorrelation 확장은 디지털 볼륨 상관 (DVC, Digital Volume Correlation) 전용 도구를 제공
변형 과정에서 획득한 볼륨 이미지를 기반으로 고 정밀 / 고 정확도의 3D 전체-필드 연속 변위 및 변형 맵 생성 합니다.
- 텍스처 및 노이즈에 따라 최대 0.1 픽셀까지의 정밀도 및 0.01 픽셀 이하의 편향 (Accuracy) / bias 정밀도 까지 가능.
- 큰 예상 변위를 위한 서브 세트 기반 DVC 메소드 (로컬 메소드).
- 연속 변위를 위한 유한 요소 기반 DVC 메소드 (전역 메소드).
- 광범위한 응용 프로그램을 처리 할 수 있는 로컬 및 글로벌 메소드의 융합.
- 변위와 변형률은 3D 메시로 계산되어 물체의 정확한 형상에 맞출 수 있어 더 작은 관심 영역 (ROI)에 대한 절충 (Trade-off) 할 필요가 없음.
고급 후 처리 (Post processing):
- 그리드 요소 (Hexaedra / Tetraedra) 또는 노드에서 시각화 된 변위 및 변형 구성 요소.
- 그리드의 노드 변위를 정규 (Regular) 데이터 세트 (3D 이미지)로 변환.
- 그리드 요소, 노드 또는 정규 그리드에서 시각화 된 변위 벡터.
- 주요 변형률, 불변 량 (Invariants), 고유 벡터 (Eigenvectors), Von Mises 및 Tresca 등가 변형 추출.
- 등위 변위 (Iso-displacement) 및 동일 변형 (iso-strain) 맵핑.
- 3D 그리드에서의 변형 애니메이션.
FEA / CFD를 위한 Amira-Avizo XWind 확장으로 사면체 메시를 생성하고, 메시 경계에서 DVC 변위를 적용하여 시뮬레이션과 실험을 연결 합니다.
Amira-Avizo 고급 정량화 및 분석 도구 세트를 사용하여, 계면 (Interface) 무결성 또는 변형 유도 다공성 (Porous)과 같은 변형 유도 미세 구조 변화를 정량화 합니다.
뼈-시멘트 인터페이스 변형 률 (Strain) 전달
뼈-시멘트 계면 (Bone cement interfaces) 무결성 (Integrity)은 고 관절 및 무릎 (Knee) 시멘트 대체물의 성공과 수명에서 중요한 요소 입니다.
- 전체 하중 전달에서 뼈 유형의 영향 및 뼈-시멘트 구조물의 미세 역학 (Micromechanics)은 아직 완전히 정량화되지 않았음.
이 예에서, Digital Volume Correlation을 사용하여 서로 맞물린 bone-implant 인터페이스의 가능한 구성 중 하나에서 3D 전체 필드 변위 및 변형을 계산 합니다.
- 고급 이미지 처리를 사용하여, 기계적 압축 중에 뼈와 시멘트 사이에서 변형이 어떻게 공유되는지 정량화하고 시각화 할 수 있음.
- 대부분의 변형은 시멘트 영역에서 변형이 잘 전달되지 않는 해면 뼈 (Trabecular bone)에 의해 수행되는 것으로 관찰됨.
- 더 많은 피질 뼈 (Cortical bone)를 함유하는 다른 뼈-시멘트 복합 제제 (Formulations)가 시험되었고 시멘트의 변형을 확산시키는데 보다 효과적인 것으로 입증 되었음.
연구논문 참조:
- http://www.jbiomech.com/article/S0021-9290(14)00478-3/pdf
인장 하중 하에서 함유물 클러스터 주변의 변형 국지화
인장 (Tensile) 하중 하에서 함유물 클러스터 (Inclusion clusters) 주변의 변형 국지화 (Strain localization):
- 변형 (Deformation)의 국지화는 신소재 설계에 매우 중요한 연구 주제.
이 예에서, 구상 흑연 주철 (Nodular graphite cast iron)의 인장 하중 동안 강렬한 변형 영역을 포착하기 위해 Digital Volume Correlation을 사용하는 방법을 설명 합니다.
- 큰 변위를 추적하기 위해, 정규 메시에 대해 대략적인 (Coarse) DVC 분석을 수행 한 다음, 데이터를 사용하여 인장 시편의 정확한 형상을 갖는 미세한 사면체 메시에 대해 보다 강력한 다중 스케일 FE-기반 기법을 초기화 하였음.
- 국부 밀도가 높은 대형 결절 클러스터에서 높은 변형률이 우선적으로 발생하는 것으로 관찰되며, 이는 연성 파괴 및 수치 모델에 대한 이해를 향상시키는데 사용될 수 있음.
연구논문 참조:
- https://amses-journal.springeropen.com/articles/10.1186/s40323-016-0070-z
섬유 강화 폴리머 (FRP) 복합재의 파쇄와 관련된 기공 유착 (Pore coalescence)
가스 수송을 위한 복합 재료의 사용에 대해 최근 관심이 증가 하였습니다.
- 단 반향 유리 섬유로 강화된 폴리 아미드 6 (PA6) 매트릭스의 손상 메커니즘은 CT 유사 시편에 싱크로트론 방사선 라미노그래피 (Laminography)를 사용하여 미리 특성화되었음.
- Digital Volume Correlation을 통해 연구원 들은 한 단계 더 나아가 균열과 미세 구조와의 3D 상호작용을 보다 더 자세히 계량화하고 균열 개방 변위 (Crack opening displacement, COD) 및 매트릭스 볼륨 변형률과 같은 유용한 정보를 추출할 수 있음.
이 예에서, 볼륨 변형은 구형 미세 기공 (Spherical micropores) 및 벼형 거대 공극 (Rice-like macropores)에 매핑 되어 공극이 성장하여 나중에 합쳐져 균열을 형성 할 가능성이 있음을 나타냅니다.
- 이들 결과는 매트릭스의 손상 메커니즘이 공극 성장에 기반한 수치 모델을 공급 및 / 또는 검증하는데 사용될 수 있음.
압축 상태의 10ppi 알루미늄 오픈 셀 폼 분석
금속 폼은 광범위한 엔지니어링 어플리케이션을 위한 새로운 종류의 재료로 각광 받습니다.
- 다공성 금속 구조물은 화학 공정을 위한 필터 또는 열 교환기, 자동차 응용 분야의 충격 에너지 흡수제, 소음 및 단열재 등으로 사용될 수 있음.
- 높은 강도와 특징적인 비선형 변형 거동의 조합은 경량 구조 또는 에너지 흡수에 매력적.
이 연구에서 Digital Volume Correlation을 사용하여 압축 상태에서 10ppi 알루미늄 오픈 셀 폼의 동작을 특성화 하였습니다.
- 3D 축 방향 변위 맵과 3D 축 방향 변형 률 (Strain) 맵은 처음 3 개의 로딩 단계에서 계산됨.
