이방성 재료에서의 탄성파 전파 과정에 대한 시뮬레이션

Simulation of Elastic Wave Propagation in Anisotropic Materials

탄성파 전파 과정의 정량적인 이해와 그 가시화는 결함 탐지는 물론이고, 재료의 물성 평가에 매우 중요하다. 대상 재료가 이방성을 지닐 경우에 탄성파 전파 과정은 복잡해져서 전파 과정의 해석 및 가시화 작업은 탄성파를 이용하는 결함 탐지 및 재질 평가에서는 필수적이다. 이방성 재료에서는 탄성파의 속도가 방향에 따라서 달라짐은 물론이고, 위상 속도와 군 속도의 방향이 어긋나서 파면이 진행하는 방향과 에너지가 진행하는 방향이 달라진다(beam skewing 효과). 특히 복합재료와 같이 이방성이 큰 재료에서는 이 효과가 매우 크게 나타나므로 탄성파를 이용한 시험 결과를 해석하고자 할 때에는 반드시 전파 과정을 이해해야 한다. 이방성 재료에 대해 해석적인 접근에는 한계가 있어서 유한차분법(finite difference method: FDM)과 같은 수치 해석 방법이 유용하게 사용되고 있다. 본 연구에서는 탄성파 전파 과정을 해석할 수 있는 2차원 FDM 프로그램을 개발하고, 이를 이용하여 이방성 재료에서의 탄성파 전파에 대한 전산 시뮬레이션 결과를 비교 분석한다.

Quantitative analysis and imaging of elastic wave propagation are very important for the materials evaluation as well as flaw detection. The elastic wave propagation in an anisotropic media is more complex, and analysis and imaging become essential for flaw detection and materials evaluation. In the anisotropic media, the wave velocity is dependent on the propagation direction. In addition, the direction of group velocity is different from that of phase velocity, the direction of energy flow is not same as the propagation direction of wavefront (beam skewing effect). Especially, this effect becomes critical for the large anisotropic media such as fiber composite materials, and the results using elastic waves for those materials have to be analyzed considering the wave propagation mechanism. Since the analytical approach for the wave propagation in the anisotropic materials is limited, the numerical analysis such as finite difference method (FDM) have been used for these case. Therefore, 2-dimensional FDM program for the elastic wave propagation is developed, and wave propagation in anisotropic media are simulated.