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문제 정의
- 본 논문에서는 복합적층판에 PVDF 센서와 AE 센서를 부착한 후 고속충격에 의한 손상 특성을 분석하였다. 또한 육안검사 및 비파괴검사를 이용하여 손상정도를 확인하였다.
- 본 연구에서는 PVDF 센서와 AE 센서를 이용하여 복합재 적층판의 고속충격 손상을 탐지하고 신호의 비교를 통해서 PVDF센서의 고속충격 손상탐지 활용 가능성을 알아보았다[4,5]. 측정된 센서 신호를 WT(Wavelet Transform)을 적용하여 손상신호와 실험적 결과의 상관관계를 연구하였다.
제안 방법
- Table 2는 실험 전/후의 속도와 에너지를 나타내었다. 7회의 실험을 한 후 관통되는 에너지를 조금 더 명확히 알아내기 위해 추가 실험을 수행하였다. 7번째 실험의 경우 실험과정상의 오류로 인해 관통 후 잔류속도는 측정하지 못하였다.
- 의 PVDF센서 LDT0-028K를 부착하고 4변 고정지지(C-C-C-C) 경계조건을 구성한 후 시편의 중앙에 고속충격을 가하였다. PVDF 센서 신호는 National Instrument사의 NI-PXI를 통해 PC의 LabVIEW프로그램을 통해 신호를 취득하고 저장하였다. PVDF센서 신호는 샘플링속도를 2MHz로 10msec동안 20,000개의 데이터를 취득하였으며, A.
- 고속충격 실험장치에는 강구의 속도측정을 위한 마그네틱 센서가 설치되었고, 시편에는 충격에 의한 손상신호를 얻기 위한 PVDF 센서, AE 센서가 부착되었다. PVDF 센서는 시편표면에 직접 부착하였고, AE 센서는 시편의 진동에 의한 영향을 최소화하고 센서의 보호를 목적으로 고정지그에 센서 장착을 위한 구멍을 뚫어 AE 센서를 시편에 장착하였다. 마그네틱 센서는 발사관의 총구에서 떨어진 곳에 두 개의 마그네틱 센서를 90mm 간격으로 위치시켰다.
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3. 결과 및 고찰
고속충격실험을 수행한 후 PVDF 센서와 AE 센서 신호의 분석을 수행하였다.
- 마그네틱 센서는 발사관의 총구에서 떨어진 곳에 두 개의 마그네틱 센서를 90mm 간격으로 위치시켰다. 그리고 시편 관통 후의 속도를 측정할 수 있도록 지그 뒤에도 마그네틱 센서를 설치하였다.
- 본 논문에서는 복합적층판에 PVDF 센서와 AE 센서를 부착한 후 고속충격에 의한 손상 특성을 분석하였다. 또한 육안검사 및 비파괴검사를 이용하여 손상정도를 확인하였다.
- 강구가 마그네틱 센서를 지나가면서 생긴 신호는 NI-PXI의 오실로스코프 모듈에 전달한다. 또한, 시편 표면에 부착된 PVDF 센서로부터 충격손상신호들을 NI-PXI의 고속의 A/D 변환 모듈을 통해 디지털신호로 변환하여 획득하였다. 관통 후에는 시편 뒤에 위치한 마그네틱 센서로 강구의 관통 후 잔류속도(residual velocity)를 측정한다.
- 압력 대 속도보정을 통해 얻고자 하는 충격에너지에 대한 압력의 공기를 압축한 후 강구를 발사하여 고속충격을 수행하였다[6]. 시편으로 사용한 복합적층판의 섬유방향과 섬유수직방향에 각각 Measurement Specialties, Inc.
- 4는 압력과 속도에 대한 관계를 알아보기 위해 압력별 속도 분포를 나타낸 그래프이다. 위 결과를 바탕으로 압력을 조정하여 30~320m/sec의 속도 범위에서 8개의 다른 충격속도로 실험을 수행하였다.
- 시편으로 사용한 복합적층판의 섬유방향과 섬유수직방향에 각각 Measurement Specialties, Inc.의 PVDF센서 LDT0-028K를 부착하고 4변 고정지지(C-C-C-C) 경계조건을 구성한 후 시편의 중앙에 고속충격을 가하였다. PVDF 센서 신호는 National Instrument사의 NI-PXI를 통해 PC의 LabVIEW프로그램을 통해 신호를 취득하고 저장하였다.
- 이러한 센서 신호 크기의 변화를 좀 더 정량적으로 분석하기 위하여 각 유사주파수에 해당되는 그래프에서 전압 신호를 제곱하여 적분한 값을 센서 신호에너지라고 정의하였고 충격 에너지와 유사주파수의 센서 신호에너지를 비교하였다.
- 본 연구에서는 PVDF 센서와 AE 센서를 이용하여 복합재 적층판의 고속충격 손상을 탐지하고 신호의 비교를 통해서 PVDF센서의 고속충격 손상탐지 활용 가능성을 알아보았다[4,5]. 측정된 센서 신호를 WT(Wavelet Transform)을 적용하여 손상신호와 실험적 결과의 상관관계를 연구하였다.
대상 데이터
- PVDF 센서 신호는 National Instrument사의 NI-PXI를 통해 PC의 LabVIEW프로그램을 통해 신호를 취득하고 저장하였다. PVDF센서 신호는 샘플링속도를 2MHz로 10msec동안 20,000개의 데이터를 취득하였으며, A.E.센서 신호는 Physical Acoustics사의 센서 UT-1000과 PC 보드를 이용하여 샘플링 속도 2MHz로 데이터를 취득하였다. Fig.
- 본 논문에 사용된 고속충격실험 장치는 Fig. 1과 같으며, 고속충격장치를 살펴보면, 2개의 압축공기탱크(air tank), 총관(gun barrel), 4개의 마그네틱 센서(magnetic sensor), 강구(steel ball), 시편(specimen), 시편고정지그(jig) 및 신호취득시스템(DAQ system)으로 구성되어 있다. 총열의 길이는 500mm, 마그네틱 센서 사이의 거리는 90mm, 마그네틱 센서와 시편 사이의 거리는 70mm 이다.
- 2와 같은 제조사의 성형사이클로 복합재료 전문 제작업체에서 제작하였다. 시편의 폭과 너비는 각각 150mm이다. 시편의 총 두께는 약 2.
- 실험에 사용된 시편은 graphite/epoxy prepreg(USN 150B, SK케미칼)를 [45/0/-45/90]2S로 적층하였고 Fig. 2와 같은 제조사의 성형사이클로 복합재료 전문 제작업체에서 제작하였다. 시편의 폭과 너비는 각각 150mm이다.
- 3과 같다. 유효면적은 100x100mm이고, 경계조건은 네 변 고정지지(C-C-C-C)이며 Table 1은 실험에 사용된 시편의 물성치이다.
이론/모형
- 웨이블릿 변환은 2차 다우비치(daubechies, ‘db2’)웨이블릿을 가지고 Matlab의 이산 웨이블릿함수(Discrete Wavelet Transform, DWT)를 적용하여 레벨 6까지 계산 하였다[9]. 또한 웨이블릿변화의 결과인 시간-스케일(scale)영역을 시간-주파수 영역으로 나타내기 위하여 Matlab 함수를 이용하여 유사주파수(pseudo frequency)를 표시하였다. 다우비치 웨이블릿 함수를 이용하여 6단계 분해된 세부성분의 유사주파수는 D1=600kHz, D2=300kHz, D3=200kHz, D4=100kHz, D5=50kHz 그리고 D6=10kHz 근처의 범위를 가진다.
- 웨이블릿 변환은 2차 다우비치(daubechies, ‘db2’)웨이블릿을 가지고 Matlab의 이산 웨이블릿함수(Discrete Wavelet Transform, DWT)를 적용하여 레벨 6까지 계산 하였다[9].
성능/효과
- PVDF 센서와 AE 센서 신호를 분석한 결과, 모두 충격에너지가 증가하여 손상이 심해질수록 고주파의 에너지가 증가함을 알 수 있다. 하지만, 충격에너지가 클수록 고주파 성분의 센서 신호에너지가 반드시 증가하는 것은 아니라는 것을 알 수 있었다.
- Table 4는 충격에 따른 주파수 분포를 나타낸다. PVDF 센서의 결과와 같이 손상으로 인해 나타났을 것으로 예상하는 D1, D2, D3의 센서 신호에너지가 에너지가 증가할수록 커짐을 알 수 있다.
- 13은 시편의 단면검사를 수행한 결과이다. 관통되기까지는 충격에너지가 증가할수록 단면의 손상이 커지고 관통 후에는 충격에너지가 증가하더라도 손상이 대체적으로 일정한 것을 알 수 있었다.
- FFT의 신호 분석에서 알 수 있듯이 손상이 없을 때도 80kHz 부근까지 손상 신호가 보임을 알 수 있다. 따라서 그 이상의 주파수인 D1, D2, D3을 확대하여 살펴보면 충격에너지 크기가 증가할수록 대체적으로 센서 신호에너지가 커짐을 알 수 있다.
- 하지만, 충격에너지가 클수록 고주파 성분의 센서 신호에너지가 반드시 증가하는 것은 아니라는 것을 알 수 있었다. 또한 PVDF 센서는 관통이 되기 전후에서, AE 센서는 손상 발생 전후에서 고주파 성분의 센서 신호에너지가 급격히 증가함을 알 수 있다. 따라서 손상 발생 전의 고주파 성분 에너지와 손상되었을 때의 고주파 성분 에너지의 관계를 이용하여 관통 유무 또는 손상 개시 시점을 알 수 있다.
- PVDF 센서와 AE 센서 신호를 분석한 결과, 모두 충격에너지가 증가하여 손상이 심해질수록 고주파의 에너지가 증가함을 알 수 있다. 하지만, 충격에너지가 클수록 고주파 성분의 센서 신호에너지가 반드시 증가하는 것은 아니라는 것을 알 수 있었다. 또한 PVDF 센서는 관통이 되기 전후에서, AE 센서는 손상 발생 전후에서 고주파 성분의 센서 신호에너지가 급격히 증가함을 알 수 있다.
후속연구
- 고속충격 손상 탐지에 대한 PVDF 센서와 AE 센서 모두 유사한 결과를 나타냈기 때문에 상대적으로 가격이 저렴한 PVDF 센서의 활용 가능성은 충분할 것으로 판단된다. 그러나 AE 센서에 비하여 고주파 신호에 둔감하고 SNR(signal to noise ratio)이 작기 때문에 향후 이의 보상 방안에 대한 연구가 필요하며, 복합재 구조물의 실시간 구조 건전성 모니터링 연구의 기초자료로 활용될 수 있다고 생각된다.
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