[논문]압전필름센서를 이용한 복합재 샌드위치 보의 저속충격 모니터링

박찬익; 이관호; 김인걸; 이영신

doi:10.5139/jksas.2003.31.2.051

압전필름센서를 이용한 복합재 샌드위치 보의 저속충격 모니터링
Low Velocity Impact Monitoring for a Composite Sandwich Beam Using Piezo Thin Film Sensors 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.31 no.2, 2003년, pp.51 - 56

박찬익 (국방과학연구소) , 이관호 (충남대학교) , 김인걸 (충남대학교) , 이영신 (충남대학교)

초록
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압전필름센서는 우수한 동적 감지 특성을 갖고 있어 복합재 구조의 저속충격을 모니터링하는데 유용하게 사용될 수 있다. 복합재 샌드위치 보에 대한 충격응답함수를 유도하였으며, 이를 충격시험와 비교하였따. 충격시험은 손상이 발생하지 않는 저에너지 조건에서 계측장치가 부착된 낙하식 충격시험기를 이용하여 수행하였다. 충격하중에 으한 샌드위치보의 거동을 예측하는 정방향 문제와 압전필름센서 신호로부터 충격력을 복원하는 역방향 문제에서 시험과 해석의 결과는 잘 일치하였다. 본 연구를 통하여 압전필름센서를 이용한 복합재 샌드위치 구조의 저속충격 모니터링 가능성을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The piezoelectric thin film(PVDF: polyvinylidene fluoride) sensors having good dynamic sensing charachteristics can be used to monitor low vwlocit impact on composite structures. The impact response function for composite sandwich beam was derved. The impact tests at low energy without inducing damage were performed on the instrumented drop weight impact tester. The measured signals of PVDF sensors attached on the surface of the beam agreed well with the simulated signals. And the inverse technique was applied to reconstruct the impact forces from the PVDF sensor signals. Most of reconstructed impact forces showed good agreement with the measured forces. The comparison results showed that the piezoelectric thin film sensor can be used to monitor the low velocity impact on composite sandwich structures.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 손상유발이 없는 저 에너지 충격에 대한 복합재 샌드위치 보의 충격하중과 압전필름(PVDF) 센서신호와의 관계를 해석적인 방법으로 규명하였으며, 이를 충격실험과 비교하였다. 이론해석을 위한 지배방정식은 가정모드법(Assumed mode method)과 Hamilton 원리를 사용하여 구하였으며, 지배방정 식으로부터 충격응답함수를 유도하였다.
본 연구에서는 압전필름(PVDF) 센서가 부착된복합재 샌드위치 보의 저속충격에 대한 정방향문제와 역방향 문제에 대하여 고찰하였다. 손상이 없는 저 에너지 조건에서 충격실험과 해석을수행하였으며 그 결과를 분석하여 다음의 결론을 얻을 수 있었다.
이때 PVDF 센서 위치도 충격지점에서 45mm 떨어진 %i=-60mm에 부착하였다. 이 실험은 충격지점과 가까운 위치에서의 PVDF 센서의 신호특성을 관찰하기 위하여 수행되었다. Fig.

제안 방법

충격실험은 낙하식 충격시험기를 사용하여단순지지된 복합재 샌드위치 보에 대하여 수행하였다. 그리고, 실험에서 측정된 충격하중으로부터 보의 거동을 예측하는 정방향 문제와 보에 부착된 PVDF 센서 신호로부터 충격하증을 복원하는 역방향 문제에 대하여 고찰하였다.
본 연구에서는 일련의 실험조건에 대한 실험과 해석의 비교를 정방향과 역방향 문제에 대하여 모두 수행하였다. 정방향 문제에서는 저속충격시험으로부터 획득한 충격하중을 이용하여 샌드위치 보에 부착된 스트레인게이지와 PVDF 센서의 신호를 계산하고, 실제 측정신호와 비교하였다.
2와 같이 크기는 400x76mm이고, 길이가 376mm인 치구에 단순지지하였다. 샌드위치 보의 중심을 원점으로 할 때 원점으로부터 土 120mm 떨어진 부위에 두 개의 스트레인게이지와 한 개의 PVDF 센서를 좌우에 부착하였으며, 스트레인 게이지는 아래 면에, PVDF 센서는 윗 면에 부착하였다. 한편, 시험이 진행됨에 따라 충격지점과 근접한 부위의 PVDF 센서 특성을 파악하기 위하여 중심으로부터 -60mm 떨어진 위치에 PVDF 센서 한 개를 추가로 부착하였다.
손상이 없는 저 에너지 조건에서 충격실험과 해석을수행하였으며 그 결과를 분석하여 다음의 결론을 얻을 수 있었다.
정방향 문제에서는 저속충격시험으로부터 획득한 충격하중을 이용하여 샌드위치 보에 부착된 스트레인게이지와 PVDF 센서의 신호를 계산하고, 실제 측정신호와 비교하였다. 역방향 문제는 PVDF 센서신호를 사용하여 충격력을 복원하였고, 측정 충격력과 비교하였다.
수행하였다. 정방향 문제에서는 저속충격시험으로부터 획득한 충격하중을 이용하여 샌드위치 보에 부착된 스트레인게이지와 PVDF 센서의 신호를 계산하고, 실제 측정신호와 비교하였다. 역방향 문제는 PVDF 센서신호를 사용하여 충격력을 복원하였고, 측정 충격력과 비교하였다.
이론해석을 위한 지배방정식은 가정모드법(Assumed mode method)과 Hamilton 원리를 사용하여 구하였으며, 지배방정 식으로부터 충격응답함수를 유도하였다. 충격실험은 낙하식 충격시험기를 사용하여단순지지된 복합재 샌드위치 보에 대하여 수행하였다. 그리고, 실험에서 측정된 충격하중으로부터 보의 거동을 예측하는 정방향 문제와 보에 부착된 PVDF 센서 신호로부터 충격하증을 복원하는 역방향 문제에 대하여 고찰하였다.
한편, 충격위치와 센서의 위치를 변경하여 시험을 수행하였다. test 3, 4는 충격위치를 이동하여 x0=-15mm 인 지점에서 수행하였다.

대상 데이터

본 연구의 실험조건은 손상이 없는 저 에너지조건으로 총 4가지 조건에 대하여 시험을 수행하였으며, 그 조건은 Table 2와 같다. 여기서 충격지점은 보의 중심인 원점을 기준으로 한 좌표 값이다.
시편은 Fig. 2와 같이 크기는 400x76mm이고, 길이가 376mm인 치구에 단순지지하였다. 샌드위치 보의 중심을 원점으로 할 때 원점으로부터 土 120mm 떨어진 부위에 두 개의 스트레인게이지와 한 개의 PVDF 센서를 좌우에 부착하였으며, 스트레인 게이지는 아래 면에, PVDF 센서는 윗 면에 부착하였다.
실험은 낙하식 충격시험기(drop weight impact tester)를 사용하여 수행하였으며, 지름이 0.5인치인 반구형 팁에 하중센서(PCB사의 M208 A33)를장착한 125g의 충격체를 사용하였다. 시험기의 상세 내용은 참고문헌[5]에 수록되어 있다.

이론/모형

정방향 문제에서는 충격하중을 알고있는 경우 식(9)를 이용하여 쉽게 구조의 거동을모사할 수 있다. 반면에 측정된 스트레인 신호나 압전센서 신호와 같은 구조의 거동 신호를 이용하여 충격하중을 복원하는 역방향 문제에서는 식 (9) 에서 충격응답함수 행렬([G])의 역행렬을 구하여야 하는데, [G]-1의 부적합(ill-posed) 특성 때문에 본 연구에서는 반복조정법 (Iterated Regularization Method)[3, 15]를 사용하여 충격하중을 복원하였다.
이론해석을 위한 지배방정식은 가정모드법(Assumed mode method)과 Hamilton 원리를 사용하여 구하였으며, 지배방정 식으로부터 충격응답함수를 유도하였다. 충격실험은 낙하식 충격시험기를 사용하여단순지지된 복합재 샌드위치 보에 대하여 수행하였다.

성능/효과

1) 충격응답함수를 이용하여 저속충격에 대한 복합재 샌드위치 보의 예측된 거동이 PVDF 센서신호와 잘 일치하였다. 이때 PVDF 센서신호는스트레인게이지 보다 우수한 동적 감지특성을보여주었다.
2) 손상이 발생하지 않는 저 에너지 충격에서 PVDF센서 신호를 이용하여 샌드위치 보에 가해진 충격하중을 복원할 수 있음을 확인하였다. 또한, 본 연구를 통하여 복합재 샌드위치 구조의 저속충격 모니터링 가능성을 보여주었다.
두 신호가 비교적 잘 일치하고 있으며, 나머지 실험조건에서도 유사한 결과를 보여주었다. 따라서, 센서 위치가 충격지점으로부터 45mm 정도 떨어진 근접한 경우에도 국부적인 변형에 큰 영향을 받지 않고 구조의 거동을 비교적 정확히 예측할 수 있음을 확인하였다.
이러한 오차는 PVDF 센서 측정신호와 모사 신호의 오차에 의해서 발생한 것으로 판단되지만, 그 오차가 크지 않았다. 또한, PVDF 센서 신호를 이용한 복원하중은 센서 위치와 충격 에너지가 변경된 대부분의 실험조건에서 측정 하중과잘 일치하였다.
또한, 본 연구를 통하여 복합재 샌드위치 구조의 저속충격 모니터링 가능성을 보여주었다.
손상이 발생하지 않고, 저 에너지 충격을 받는 샌드위치 보의 전체적인 거동이 충격지점의 국부적인 거동에 비하여 상대적으로 우세한 경우에는, 충격응답함수를 이용한 복합재 샌드위치 구조의 충격거동을 예측하고, 센서신호로부터 충격하중을 복원할 수 있음을 확인하였다. 또한 이 방법은 기존 단일 복합재료 평판의 저속 충격 초기 손상을 예측한 결과를 고려할 때[6], 복합 재 샌드위치 구조의 초기 손상기구를 규명하는데 이용될 수 있을 것으로 판단된다.
이는 센서의 유효면적의 차이와고주파 진동감지 능력에 의하여 발생한 현상으로판단된다. 즉, 본 연구에서 사용된 PVDF 센서는스트레 인게 이 지와 비교하여 유효면적이 상대 적으로 크기 때문에 센서 신호가 안정적이며, 압전센서로써 우수한 고주파 진동 감지능력을 가지고있어, PVDF 센서로 측정된 신호의 오차가 상대적으로 적은 것으로 판단된다.

후속연구

복원할 수 있음을 확인하였다. 또한 이 방법은 기존 단일 복합재료 평판의 저속 충격 초기 손상을 예측한 결과를 고려할 때[6], 복합 재 샌드위치 구조의 초기 손상기구를 규명하는데 이용될 수 있을 것으로 판단된다.

참고문헌 (15)

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박형순, "횡방향 충격을 받는 보의 초기 거동해석 및 충격력 복원에 관한 연구," 박사학위 논문, 한국과학기술원, 1993
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박찬익, 김인걸, 이영신, "압전필름센서를 이용한 복합재료 평판의 저속충격 손상 개시 모니터링,"" 한국복합재료학회지, 제15권, 제2호, 2002, pp. 11-17.

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박찬익, 김인걸, 이영신, 고"분자 압전센서 신호를 이용한 Gr/Ep 복합재 적층판의 손상유발 충격하중의 복원," 한국복합재료학회지, 제15권, 제5호, pp. 7-13.

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김인걸, 김준, "저속충격을 받는 복합적층판의 역함수 문제에 대한 실험적 상관관계," 한국복합재료학회지, 제11권, 제3호, 1998, pp.24-38.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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