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문제 정의
- 본 논문에서는 센서신호의 취득과 시간-주파수신호분석을 통하여 저속충격의 발생/진행과정을알 수 있는 많은 중요한 정보가 PVDF 센서 신호에 내재되어 있음을 알 수 있으며 PVDF 센서신호를 보다 세밀하게 분석할 수 있다면 저속 충격에 의한 복합재료의 손상 모드 규명에 대한 정량적인 예측이 가능하고 저속충격 위협에 대한복합재 구조물의 건전성 모니터링에 활용할 수있는 가능성을 제시하였다.
- 본 논문에서는 저속충격에 의한 복합재의 파손 모드를 규명하기 위하여 PVDF 센서를 이용한 신호취득 방법과 측정된 PVDF 센서 신호를 국소퓨리에 변환 및 웨이블렛 변환과 같은 시간-주파수 분석법 (Time-frequency analysis)을 적용하여 분석할 수 있는 실험적 절차에 대하여 고찰하였다. 저속충격시 발생할 수 있는 여러 충격 손상 형태- 모재균열, 층간분리, 섬유파단-에 의한 응력 파를 측정하기 위한 일련의 저속충격 시험을 수행하였다.
제안 방법
- 43J까지 충격 실험을 수행하였다. 먼저 하중 신호와 센서 신호에 대한 직관적인 분석과 충격 시편에 대한 사진 촬영 및 C-scan 및 단면 절단검사를 통해 시편의 내부 손상에 대하여 관찰하였다.
- 본 연구에서는 Gr/Ep 복합 적층판에 대하여충격체 질량은 l, 170gr과 l, 803gr 두 가지 각각의 경우에 대해 충격에너지를 최소 2.29J에서 최대 19.43J까지 충격 실험을 수행하였다. 먼저 하중 신호와 센서 신호에 대한 직관적인 분석과 충격 시편에 대한 사진 촬영 및 C-scan 및 단면 절단검사를 통해 시편의 내부 손상에 대하여 관찰하였다.
- 8은 2 종류의 충격체 질량에 따른 대표적인 충격에너지에 대한 STFT 및 WT 분석을 보여주고 있다. 손상에 의해 발생되는 고주파 영역을 관찰하기 위해 10kHz 이상 신호에 대한 고주파 통과 필터링을 적용하여 신호 분석을 수행하였다.
- 저속충격시 발생할 수 있는 여러 충격 손상 형태- 모재균열, 층간분리, 섬유파단-에 의한 응력 파를 측정하기 위한 일련의 저속충격 시험을 수행하였다. 충격 시험 후, 저속 충격을 받은 적층 판에 대하여 C-scan과 단면 검사를 통하여 센서 신호, 손상 모드 및 크기에 대한 상관관계를 고찰하였다.
- 저속충격시 발생할 수 있는 여러 충격 손상 형태- 모재균열, 층간분리, 섬유파단-에 의한 응력 파를 측정하기 위한 일련의 저속충격 시험을 수행하였다. 충격 시험 후, 저속 충격을 받은 적층 판에 대하여 C-scan과 단면 검사를 통하여 센서 신호, 손상 모드 및 크기에 대한 상관관계를 고찰하였다.
- 경계조건은 양변 고정지지이며, 고정 후 시편의 유효 길이는 130mm이다. 충격 체질량은 l, 170gr 과 l, 803gr 2가지 경우 각각에 대하여 낙하 높이를 200mm에서 1, 100mm까지 100mm 간격으로 시험을 수행하였으며, 저속충격 시험 후의 시편에 대하여 각 시편에 대하여 C-Scan과 단면검 사를 수행하였다.
- 하중센서에서 출력되는 충격력 신호는 전압증폭기(480E09, PCB 사)를 통하여 디지털메모리스코프 (TDS3012D, Tektronics사)로 연결되었다. 충격체의 변위와 낙하속도는 레이져 센서(M5L/20, Melsensor사)를사용하여 측정하였다. 실험에 사용한 PVDF 센서 (LDT0-028K/L, Measurement Specialties.
대상 데이터
- 본 연구에서 사용된는 낙하식 저속 충격 시험기 (Drop Weight Impact Tester)는 다양한 충격체질량의 교체가 용이하도록 Fig. 1의 시험장치와같이 구성되었다. 시험기의 최대 충격 높이는 약 1.
- 사용된 시편은 Gr/Ep 프리프레그 (HFG HT145/RS1222)® 사용하여 (주)한국화이바에서 제작한 두께 2.5mm인 대 칭직교차 복합적층판 [0/90]45 이다. 시편의 길이와 폭은 각각 150 X 75mm이다.
- 5mm인 대 칭직교차 복합적층판 [0/90]45 이다. 시편의 길이와 폭은 각각 150 X 75mm이다. Fig.
- 충격체의 변위와 낙하속도는 레이져 센서(M5L/20, Melsensor사)를사용하여 측정하였다. 실험에 사용한 PVDF 센서 (LDT0-028K/L, Measurement Specialties.) 의 크기는 15 X 10mm 이고 두께는 28pm이다 PVDF 센서 및 하중센서에서 들어오는 신호를 2대의 디지털 메모리스코프(Oscilloscope)를 이용하여 데이터를 저장하였다. 최대 50(# 까지 주파수 분석을하기 위해 실험에 사용한 샘플링 시간(sampling time)은 ljUsec로 하여 약 8msec동안 데이터를 측정하였다.
- 지름이 12.5mm 인 반구형 충격체 팁 (084A19, PCB 사)이 장착된 압전센서 형식인 하중센서 (M208A33, PCB)를 사용하였다. 하중센서에서 출력되는 충격력 신호는 전압증폭기(480E09, PCB 사)를 통하여 디지털메모리스코프 (TDS3012D, Tektronics사)로 연결되었다.
- ) 의 크기는 15 X 10mm 이고 두께는 28pm이다 PVDF 센서 및 하중센서에서 들어오는 신호를 2대의 디지털 메모리스코프(Oscilloscope)를 이용하여 데이터를 저장하였다. 최대 50(# 까지 주파수 분석을하기 위해 실험에 사용한 샘플링 시간(sampling time)은 ljUsec로 하여 약 8msec동안 데이터를 측정하였다.
이론/모형
- 특호], 저속충격에 의한 신호에 대해 기존의 퓨리에 변환 (Fourier Transform)< 적용하였을 경우 시간 영역에서 주파수 영역으로 변환시 시간에 대한 정보가 사라짐으로써 파괴가 발생하고 전파되는 시점을 알 수 없게 된다. 따라서, 이러한 퓨리에 변환의 단점을 보완하기 위해 본 논문에서는 시간- 주파수 영역을 동시에 관찰할 수 있는 방법으로 국소 퓨리에 변환 (Short Time Fourier Transform) 과 웨이블렛 변환 (Wavel하 Transform) 방법을 사용하였으며 상용 S/W인 Matlab을 이용하여 계산하였다[15-17].
- 적분한 것이다. 본 연구에 적용한 웨이블렛함수는 Daubechies(db2) 웨이블렛 함수이다 [15-17].
성능/효과
- 하중 신호와 센서 신호를 육안 관찰만으로는적층판의 손상 여부를 판단하기에 매우 어려웠으나, Fig. 6, 7과 같은 STFT와 "를 이용하여 PVDF 센서 신호의 고주파 영역을 분석한 결과시편의 파손 모드와 발생시점을 추정할 수 있었다. 단면 검사시 단순 촬영으로는 내부의 손상여부를 판단하기가 어려웠으나, 이에 대한 C-scan 이미지를 통해 내부 손상 영역과 면적 등을 측정하므로서 파손의 크기와 해당 고주파 성분의 주파수, 진폭 등과의 상관관계가 있음을 확인하였다.
- 7(a)의 경우는 적층판의 앞면에서 뚜렷한 압입이발생하였다. C-scan이나 단면 검사시 내부손상을 관찰할 수 없었으나 STFT와 WT 신호분석 결과 1- 2 msec 사이에서 약 200KHz 이하의 주파수성분이 관찰되었다. 이것은 복합재 표면에서 압입이 발생하면서 파손에 의한 신호이기보다는 충격체와 시편과의 다중 충격에 의한 고주파 진동신호로 판단된다.
- STFT 및 WT 분석에서는 1~2msec 근처에서 섬유 파단에 의한 높은 주파수 영역이 보이고, 1~ 3msec에 걸쳐서 약 200kHz이하의 주파수들이 분포하고 있는 것으로 보아 적층판 내부의 여러 층에서 층간 분리 및 균열이 존재하고 있음을 추론할 수 있으며, 이에 대해 C-scan 이미지로 확인할 수 있었다. 충격체 질량이 l, 803gr이고 충격에너지가 17.
- 6, 7과 같은 STFT와 "를 이용하여 PVDF 센서 신호의 고주파 영역을 분석한 결과시편의 파손 모드와 발생시점을 추정할 수 있었다. 단면 검사시 단순 촬영으로는 내부의 손상여부를 판단하기가 어려웠으나, 이에 대한 C-scan 이미지를 통해 내부 손상 영역과 면적 등을 측정하므로서 파손의 크기와 해당 고주파 성분의 주파수, 진폭 등과의 상관관계가 있음을 확인하였다.
- STFT와 WT 분석에서도 1방향 센서신호에서 모두 높은 주파수(200kHz 이상) 영역이 분포하고 있고 여러 개의 높은 주파수가 나타나고 있음을 알 수 있다. 이러한 STFT 와 WT 분석 결과로 적층판 내부에서도 층간 분리 및 균열이 발생하고 있음을 판단할 수 있으며, C-scan 결과로도 확인할 수 있다. 충격체 질량이 l, 803gr 이고 충격에너지가 14.
- 88J인 경우에는윗면에서 섬유 파단이 약 1mm 이하의 아주 미세한 크기로 발생하였으나, 내부에서는 특별한손상이 발생하지 않았다. 이에 대한 주파수 분석결과, 1방향 센서신호에서 약 300kHz 대역까지나타나고 있는 것으로 보아 첫 번째 층의 섬유파단에 의한 고주파 성분의 신호가 측정되고 있는 것으로 판단된다. C-scan의 결과 이 때에도적층판 내부에서는 층간분리가 발생하지 않은 것으로 판단되나, 횡방향 균열은 그 발생 여부를판단하기가 다소 어려운 것 같다.
- 다만, C-scan의경우 경계면에서의 손상 여부가 잘 잡히지 않았으나, STFT 와 WT 결과를 볼 때 첫 번째 층에서 기지 균열과 같은 손상이 발생하고 있음을 판단할 수 있다. 충격체 질량이 l, 170gr이고 충격에너지가 10.32J인 경우, 섬유 파단이 압입 주위로여러 개가 생성되었으며, 압입 및 섬유 파단에의한 층간 분리가 발생하고 있음을 눈으로 확인할 수 있었다. STFT와 WT 분석에서도 1방향 센서신호에서 모두 높은 주파수(200kHz 이상) 영역이 분포하고 있고 여러 개의 높은 주파수가 나타나고 있음을 알 수 있다.
- 수 있었다. 충격체 질량이 l, 803gr이고 충격에너지가 17.67JQ1 경우에도 약 15mm이상의 섬유 파단이 윗면에서 발생하였고, 섬유 파손 주위로 층간 분리 뿐만 아니라 기지 균열도 눈으로 확인할 수 있었다. 또한 파손 신호가 대부분 충격이 시작되는 1~3msec사이에서 주로 고주파 신호를 나타내었으나 14J 이상부터는 3~5msec 사이에서 높은 진폭을 가진 신호 및 고주파 신호가 측정되고 있는데 이것은 최대 충격력 근처에서 복합적층판의 2차 손상신호에 의한 것으로 판단된다.
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