[논문]풍력발전기 블레이드 적용 CFRP 복합재료의 DIC 방법에 의한 재료특성치 평가

강지웅; 권오헌; 김태경; 조세진

[국내논문] 풍력발전기 블레이드 적용 CFRP 복합재료의 DIC 방법에 의한 재료특성치 평가
Evaluation of Material Properties about CFRP Composite Adapted for Wind Power Blade by using DIC Method 원문보기

한국동력기계공학회지 = Journal of the korean society for power system engineering, v.14 no.5, 2010년, pp.17 - 23

강지웅 (부경대학교 방재연구소) , 권오헌 (부경대학교 안전공학부) , 김태경 (부경대학교 대학원) , 조세진 (부경대학교 안전공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

In recent, the capacity of a commercial wind power has reached the range of 6 MW, with large plants being built world-wide on land and offshore. The rotor blades and the nacelle are exposed to external loads. Wind power system concepts are reviewed, and loadings by wind and gravity as important factors for the mechanical performance of the materials are considered. So, the mechanical properties of fiber composite materials are discussed. Plain woven fabrics Carbon Fiber Reinforced Plastics (CFRP) are advanced materials which combine the characteristics of the light weight, high stiffness, strength and chemical stability. However, Plain woven CFRP composite have a lot of problems, especially delamination, compared with common materials. Therefore, the aim of this work is to estimate the mechanical properties using the tensile specimen and to evaluate strain using the CNF specimen on plain woven CFRP composites. For the strain, we tried to apply to plain woven CFRP using Digital Image Correlation (DIC) method and strain gauge. DIC method can evaluate a strain change so it can predict a location of fracture.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

따라서 본 연구의 목적은 블레이드 부의 경량화와 강도 향상을 위해 국내 G사에서 적용한 CFRP복합 재에 대하여 재료 특성치를 구하는 것과 동시에 변형 손상거동을 조사하고 변형율 측정에 있어서 변형에 따른 재료 표면의 영상정보를 이용하여 대상 구조물 전 영역에 걸친 변형율를 얻어 블레이드 신뢰성획득에 기여하고자 하는데 있다.
이 방법은 시험 편의 표면에 임의로 분포되어 있는 그레이 레벨 강도(intensity gray levels)를 분석하여, 변형이 진행된 다른 시간대의 두 개의 디지털 이미지 사이의 그레이 레벨 강도를 최적화하는 것이다.

제안 방법

가공하였다. 또한, 인장 시험 시 시험기의 그립으로부터 손상을 방지하기 위하여 시험편 양 끝단에 에폭 시 수지계인 아랄다이트를 경화제로 1:1의 중량비로 혼합하여 알루미늄탭 (두께: 2.0 mm) 을 부착하였다.
인장 시험을 할 경우에 탭 부위는 응력 집중에 의한 파손 및 박리가 발생하기 쉽기 때문에 이것을 방지하기 위해 탭에 30º의 테이퍼 각을 주었다 이때 시험편과 알루미늄 탭의 접착면은 인장 시험 동안 접착면의 슬립을 방지하기 위해 #100의 에 머리-페 이퍼로 거친 가공을 하고, 연마된 접착면은 아세톤으로 세정한 후 충분히 건조시켜 접착하였다. 알루미늄 탭을 부착한 후 전기로 (국내 K사, HY-8000S) 에서 i(xrc 로 30분간 열처리를 수행하여 탭의 접합강도를 강화시킴과 동시에 탭 표면을 홈 가공하여 시험 편의 슬립을 최소화하였다.
제작된 시험편은 DIC(Digital image correlation) 측정을 위하여 통풍이 잘 되는 곳에서 백색 안료 (KRYLON 미국 S사, FLAT type)를 20~30 cm 거리에서 분사하여 시험편 표면을 균일도포하고, 완전히 건조 후 다시 흑점 패턴을 형성하였다. 형성된 흑점 패턴의 한 예를 Fig.
인장시 험편의 경우는 전면에 형성하였고 4점 굽힘시험편 의 경우는 측면에 형성시켰다. 흑점 패턴의 밀도 및 크기는 측정 결과에 영향을 미치지 않는 범위에서 가능한 세밀하게 균일분포가 되도록 하였다.
평직 CFRP 복합재료의 탄성계수, 프아송비 및 인장 강도 등 기본적인 기계적 재료물성치 측정은 종횡 2방향 변형률 게이지를 부착한 인장시험편으 로 상온에서 만능동적 시험기(H사, 50 kN)와 소형 만능재료 시험기 (T.O.사, 5kN)를 사용하여 구하였으며 ASTM D 3039를 참고하여 O.lmm/min 의 변위제어로 수행하였다. 세로 가로 방향 변형율을 즉정하기 위하여 Model 5100B ScannerCV사)를 이용하였으며, 이때 얻어진 결과는 PC에 입력되고, 전용 데이터 처리 프로그램을 사용하여 신호를 분석하고 획득하였다.
4는 실험장치 개략도 이다. DIC기 법에 의하여 시험 편의 표면에 나타나는 변위 및 변형율장의 측정을 위하여서는 인장시험 중 시험편 변형영상을 1391x1039 픽셀을 가지는 고해상도 CCD 카메라(QICAM) 로 일정 간격으로 취득하였다 . 광원은 광섬유 조명기를 사용하였으며 획득된 변형영상은 DIC 해석 프로그램을 이용하여 평가하였다 영상 데이터의 스펙클 패턴으로부터 각 점의 변위에 대한 초기 추측치는 각 하중 상태에서의 기준 영상 테이터에 대한 대응 패턴을 선택하여 선정되었다.
본 연구에서는 풍력발전기 블레이드 부의 경량화와 강도 향상에 사용되는 CFRP복합재에 대하여 인장실험 및 4점 굽힘 실험을 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
파단지점까지 하중과 변위는 선형적인 관계를 유지하고 있다. 시험은 시험편 단면 내부중앙에 종방향으로 a0/L= 0.4의 비율로 테프론을 삽입하여 초기 균열의 역할을 대행하였으며 1 mwmin 하중 속도로 변위제어하였다. 시험 편하단부 중앙지점에서의 변형율을 DIC방법을 이용하여 측정하였다

대상 데이터

실험에 사용된 재료는 평직 CFRP복합재료이며 프리프레그(prepreg)는 한국카본(주)에서 생산되는 CF 3327를 사용하였다. 프리프레그의 섬유와 수지의 함유량은 Table 1에 나타내었다.
프리프레그의 섬유와 수지의 함유량은 Table 1에 나타내었다. 폭 lm의 원단으로 생산되는 프리프레그를 구입하여 가로. 세로 각각 250 x 250 mm 로 절단하여 적층한 후 시험편 제작에 사용하였다
내부 균열의 모드u 층간 파괴거동을 평가하기 위하여 CNF시험편을 사용하였다 실험은 4점 굽힘 시 험을 채택하였으며 완성된 시험편 형상은 Fig. 1 및 Fig. 2에 나타내었다.

데이터처리

lmm/min 의 변위제어로 수행하였다. 세로 가로 방향 변형율을 즉정하기 위하여 Model 5100B ScannerCV사)를 이용하였으며, 이때 얻어진 결과는 PC에 입력되고, 전용 데이터 처리 프로그램을 사용하여 신호를 분석하고 획득하였다. Fig.
DIC기 법에 의하여 시험 편의 표면에 나타나는 변위 및 변형율장의 측정을 위하여서는 인장시험 중 시험편 변형영상을 1391x1039 픽셀을 가지는 고해상도 CCD 카메라(QICAM) 로 일정 간격으로 취득하였다 . 광원은 광섬유 조명기를 사용하였으며 획득된 변형영상은 DIC 해석 프로그램을 이용하여 평가하였다 영상 데이터의 스펙클 패턴으로부터 각 점의 변위에 대한 초기 추측치는 각 하중 상태에서의 기준 영상 테이터에 대한 대응 패턴을 선택하여 선정되었다. 초기 추측치로부터 기준 상태의 서브셋픽셀과 하중상태의 서브셋픽셀의 최적 매치 상태를 얻음으로써 U, V 변위를 평가하여 변형율을 얻을 수 있다.
11은 4점굽힘시험 동안에 AE 센서를 시험 편 우측 상단 표면에 부착하여 얻어진 AE 카운트와 진폭의 결과를 시간축에 대하여 나타낸 것이다. AE 측정은 PAC-AEDSP16 시스템과 공진주파수를 가진 R15센서를 사용하였다 얻어진 AE 신호는 해석처리프로그램인 MISTRAS-2001을 사용하여 분석하였다. AE 카운트는 시험 편에 가해지는 손상의 정도를 나타내는 것으로 AE 카운트의 증가는 손상 빈도의 증가를 의미한다10).

이론/모형

4의 비율로 테프론을 삽입하여 초기 균열의 역할을 대행하였으며 1 mwmin 하중 속도로 변위제어하였다. 시험 편하단부 중앙지점에서의 변형율을 DIC방법을 이용하여 측정하였다

성능/효과

1에서 알 수 있듯이 최대 변형율이 발생되는 지점에서 파단이 발생되어 좌우로 박리현상이 나타나고 있다. DIC에서 얻어진 결과와 사진의 최종 파단 사진의 결과는 매우 잘 일치하고 있음을 알 수 있다.
(1) 53 GPa의 탄성계수 등을 얻었으며 DIC방법을 이용한 변형율과 변형율 게이지 측정에서 얻어진 수직 변형율의 값을 비교하여 잘 일치함을 알 수 있었다.
(2) DIC방법에 의해 획득한 전 영역의 변형율 등 고선은 균질재와는 약간 다른 양상을 나타내어 초기 하중에서부터 약 1000 pm 미만의 미소변형율영역에서는 경.사 방향으로 탄소섬유소의 교차와 기지인 에폭시의 낮은 탄성계수 영향으로 인하여 섬 모양의 등고선이 전체적으로 발생하였다.
(3) 4점 굽힘 시험에 의한 굽힘 탄성계수는 2.1 GPa 를 얻었으며 DIC 각 변형율 등고선은 각각 주어진 단계에서의 전 영역 변형율 변화를 잘 보여주어 굽힘손상 평가에 적용 가능하였다

후속연구

(4) 본 연구에서 적용한 DIC 및 AE기법을 풍력발전설비에 확장 적용할 경우 구조물 평가에 유용히 사용될 수 있을 것으로 여겨진다

참고문헌 (10)

Dayton A. Griffin, 2001, "WindPACT Turbine Design Scaling Studies Technical Area 1-Composite Blades for 80-to 120-Meter Rotor", NREL/SR-500-29492.
Gunjit S. Bir, P.Migliore, 2004, "Computerized Method for Preliminary Structural design of Composite for Two-and Three-Blade Rotors", NREL/TP-500-31486.
J. Selwin Rajadurai et al., 2008, "Finite element analysiswith an improved failure criterion for composite wind turbine blades", Forsch Ingenieurwes, Vol. 72, pp. 193-207.

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M. Arai et al., 2007, "Mode I and Mode II interlaminar fracture toughness of CFRP laminates toughened by carbon nano fiber", JSME Annual Meeting, pp.667-668.
Standard test method for "Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials.", ASTM D 3039, 2000.
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S.R.Mcneil, W. Peters and M. A. Sutton, 1987, "Estimation of stress intensity factor by digital image correlation", Engineering fracture mechanics, Vol. 28, pp. 101-112.

상세보기
G.Quinn, 1990, "Flexure strength of advanced structural ceramics", Journal of American Ceramic Society, Vol. 74, pp. 2037-2066.
H. Maikuma, J. W. Gillespie and J. M. Whitney, 1989, "Analysis and experimental characterization of the center notch flexural test specimen for mode II interlaminar fracture", Journal of composite materials, Vol. 23, pp. 756-786.

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Yu-Sung Yun and Oh-Heon Kwon, 2006, "The evaluation of interlaminar fracture toughness and AE characteristics in plain woven CFRP composite with ENF specimen", Journal of the Korea Society for Power System Engineering, Vol. 10, No. 2, pp. 117-123.

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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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