캔틸레버 빔의 공간적으로 불확실한 강성 식별

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 1169(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

이 연구는 구조적 반응에 대한 시뮬레이션된 잡음 측정을 통해 비파괴적인 방식으로 비균질 강성을 식별합니다. 유한 요소법은 각각의 캔틸레버 빔 예제 문제인 정적 하중 및 모달 해석에 대한 이산화 역할을 합니다. Karhunen–Loève 확장은 강성 무작위 필드를 나타냅니다. Karhunen-Loève 계수에 대한 베이지안 추론을 사용하여 역 문제를 해결함으로써 새로운 공진 주파수 방법을 도입합니다. 구조적 강성 불확실성과 측정 노이즈 특성에 대한 유연한 설명을 통해 측정 설정 및 다양한 비균질 재료에 대한 간단한 채택이 가능합니다. 다양한 강성 공분산 함수에 대한 역산 성능을 평가하면 정적 해석 절차가 평균적으로 모달 해석 절차보다 성능이 우수하다는 것을 알 수 있습니다. 그러나 정적 해석 접근 방식의 경우 솔루션 품질은 빔 내의 위치에 따라 달라지지만 모달 해석의 경우 신뢰 구간 높이는 빔을 따라 일정하게 유지됩니다. 신호 대 잡음비의 효과를 조사한 결과 이상적인 경계 조건을 사용하여 선택한 구성에 대해 정적 하중 절차가 동적 절차보다 오류가 더 낮다는 것이 밝혀졌습니다.

재료 매개변수는 다양한 방법으로 식별될 수 있습니다. 확립된 방법은 파괴적인 방법과 비파괴적인 방법으로 분류할 수 있습니다1. "파괴적"은 예를 들어 측정 표본이 인장 시험 중에 소성 변형을 경험하여 시험 후 제품 요구 사항을 준수하지 못함, 즉 원래 목적을 더 이상 충족할 수 없음을 의미합니다. 종종 이러한 테스트는 시편이 파손될 때까지 수행됩니다. 비파괴 테스트 방법은 시편의 특성을 유지하면서 재료 매개변수를 식별하는 방법을 제공합니다. 따라서 이러한 방법은 특정 요구 사항을 보장하기 위해 제조 공정 후 품질 관리 목적으로 널리 사용됩니다.

한편으로는 엔지니어링 재료를 테스트하는 데 동적 방법이 널리 사용됩니다. 탄성파를 사용한 충격 에코 또는 전송 측정은 파동 시작을 평가하는 널리 사용되는 고주파 영역 방법을 제시합니다2. 그러나 유도 초음파의 개별 모드를 고려하면 더 많은 정보가 포함되어 있습니다. 일반적으로 고주파 영역에서 웨이브 피팅 접근법은 계속 발전하고 있으며6, 여기서 전체 파형의 활용은 주목할 만합니다7. 저주파 영역에서는 정재파를 활용할 수 있습니다. 이 경우 공진 주파수 방법은 재료 매개변수 식별 또는 결함 감지를 위해 고유모드에 연결된 고유주파수를 사용합니다8.

반면, 정적 방법은 가역적이며 시편을 선형 탄성 하중 조건에 배치할 때 비파괴적인 것으로 간주될 수 있습니다. 스트레인 게이지를 사용한 압입 테스트 및 스트레인 측정은 많은 변위 측정 기술과 마찬가지로 표면 수준에서 작동하는 절차에 사용됩니다. 후자 내에서 기준 상태와 시편의 변형 상태 사이의 디지털 이미지 상관관계는 변위 필드로 이어지며, 여기서 여러 기술을 사용하여 각 이미지를 캡처할 수 있습니다.

결함이나 균열과 같은 불연속성은 일반적으로 명목상 균일한 재료에 대한 관심의 대상입니다11. 비균질 재료의 경우 재료 특성의 국지적 공간 변화가 시스템에 추가로 도입됩니다. 비균질성의 심각도에 따라 시스템 응답에 관련 영향을 미칠 수 있습니다. 이것은 확실히 목재와 같은 엔지니어링 재료의 경우입니다. 재료 특성의 공간적 변화는 개별 표본13,14에 대해 정량화되었습니다. Savvas et al.15는 미시적 정보를 바탕으로 물질 특성의 중규모 공간적 변화를 확인했습니다. 그러나 공간 동작에 대한 엄격한 설명은 쉽게 사용할 수 없습니다. 이러한 데이터 부족을 감안할 때 표준 절차는 재료 특성의 무작위 공간 변화를 가정하는 것입니다. 재료 특성의 이러한 공간적 무작위성은 문헌16,17에서 광범위하게 다루는 무작위 장 이론으로 설명할 수 있습니다. Rasmussen과 Williams18은 Duvenaud19가 일반화한 회귀 이론을 대중화했습니다. 유한요소법(FEM)과 공간 불확실성의 통합은 문헌20,21에서 다룹니다.