험비 타이어 변형률 분석 사례 | 팬텀 고속카메라와 DIC
눈으로 보이지 않는 장면을 분석해야 하는 경우가 있습니다. 대표적으로 자동차 산업이 그렇습니다. 빠른 속도로 움직이는 자동차 부품의 변형을 측정하기 위해 실차 충돌 시험은 물론 그 외 다양한 영역에서 고속카메라를 이용한 분석이 진행되고 있습니다.
타이어도 예외는 아닌데요. 고품질의 타이어 생산을 위해서는 미세한 역학적 현상을 확인해야만 합니다. 오늘은 팬텀 고속카메라로 타이어의 변형률을 확인하고 제품 성능을 개선한 최초의 활용 사례를 선보입니다.
📌 3줄 주제 요약
1. Phantom 초고속카메라와 DIC 기술을 활용해 험비 타이어 가속 시 발생하는 미세 변형과 변위를 정밀하게 분석했다.
2. 실험 결과, 비틀림 변형(torsional strain)이 관찰되었으며 이는 에너지 손실과 연결됨을 확인했다.
3. 이를 통해 타이어 강성 설계를 개선하면 접지력 향상과 가속 성능 개선으로 이어질 수 있다는 인사이트가 도출되었다.
DIC와 팬텀 고속카메라
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좌) 팬텀고속카메라 KT 시리즈, 우) 팬텀 고속카메라에 DIC 기술을 접목한 데이터 결과물
이 연구에서 활용된 핵심 장비는 팬텀(Phantom) 고속카메라와 디지털 이미지 상관법(Digital Image Correlation, DIC) 기술입니다.
DIC는 두 대의 동기화된 카메라를 이용해 물체의 변형을 3차원으로 전체적으로 분석하는 광학 측정 기술입니다. 이 기술은 기존의 스트레인 게이지와 같은 단일 지점 센서와 달리, 비접촉식 방식으로 시스템을 방해하지 않고 더 많은 데이터를 얻을 수 있다는 장점을 가집니다.
DIC와 팬텀 고속카메라를 활용한 험비 타이어 실험 과정
이 연구는 나토(NATO)의 평화 및 안보 프로그램의 지원을 받아 앨라배마 대학교 버밍햄 프로젝트의 일환으로 진행되었습니다.
연구팀은 먼저 험비 타이어에 하중을 싣고 공기압을 채워 실제와 유사한 환경을 만들었습니다. 여기에 분석을 위해 타이어 표면에 카메라가 추적할 수 있도록 미세한 스페클 패턴을 칠했습니다.
이후, 두 대의 팬텀 v2640 고속카메라를 사용해 타이어가 시속 65마일(약 105km/h)까지 가속하는 과정을 초당 4,800프레임(fps)의 속도와 2,048×1,952 해상도로 기록했습니다.
팬텀 카메라는 4메가픽셀 센서를 탑재해 동급 최고 수준의 속도와 감도를 자랑합니다. 촬영된 고속 영상은 트리리온의 GOM 코릴레이트 소프트웨어에 적용되어, 미세한 표면 변형을 컴퓨터 시뮬레이션처럼 색상 편차로 시각화했습니다.
| 실험 구성 | 세부 내용 |
|---|---|
| 시험 대상 | 험비 타이어 |
| 촬영 장비 | 팬텀 v2640 고속카메라 2대 |
| 가속 속도 | 시속 65마일(약 105km/h)까지 가속 |
| 촬영 속도 | 4,800fps |
| 해상도 | 2,048×1,952 |
| 표면 준비 | 스페클 패턴 적용 |
| 분석 소프트웨어 | GOM 코릴레이트 |
실험 결과와 활용 결과
이 실험을 통해 타이어 가속 시 눈에 보이지 않는 미세한 변형을 고해상도로 확인할 수 있었습니다.
| 구분 | 항목 | 내용 |
|---|---|---|
| 🟢 측정 결과 | 비틀림 변형 | 가속이 시작되는 바로 그 순간, 타이어에 비틀림 변형(torsional strain)이 발생 |
| 에너지 손실과의 관계 | 비틀림 변형이 에너지 손실과 관련이 있을 수 있음 | |
| 🔴 결과 활용 | 타이어 구조 개선 | 타이어 구조를 강화하면 차량이 보다 빠르고 안정적으로 속도를 높일 수 있다는 가능성이 확인 |
이 연구는 고속과 가속 상황에서 타이어의 성능을 이처럼 높은 정확도로 조사한 최초의 사례 중 하나이며, 기존에 이론으로만 존재했던 현상을 실험으로 입증했다는 점에서 큰 의미가 있습니다. 비접촉식 방식의 DIC 기술과 팬텀 고속카메라의 뛰어난 성능이 있었기에 가능했던 결과입니다.
이전에는 스트레인 게이지와 같은 센서로 타이어의 변형을 측정했지만, 이러한 센서는 시스템을 교란시키거나 측정 지점이 제한적이라는 한계가 있었습니다. 반면, DIC는 비접촉식으로 표면 전체의 데이터를 얻을 수 있어 훨씬 정확하고 풍부한 분석이 가능합니다. 이 기술은 타이어 분석뿐만 아니라, 진동 및 모드 분석에도 활용되어 다양한 산업 분야에서 부품의 성능과 안정성을 평가하는 데 중요한 역할을 하고 있습니다.
