[논문]MFC와 능동 제어를 이용한 손상된 복합재의 동적 특성 복원

손정우; 김흥수

doi:10.5050/ksnve.2013.23.12.1066

MFC와 능동 제어를 이용한 손상된 복합재의 동적 특성 복원
Dynamic Characteristics Modification of Damaged Composite Structure Using MFC and Active Control Algorithm 원문보기

한국소음진동공학회논문집 = Transactions of the Korean society for noise and vibration engineering, v.23 no.12, 2013년, pp.1066 - 1072

손정우 (Department of Mechanical Design Engineering, Kumoh National Institute of Technology) , 김흥수 (Department of Mechanical, Robotics and Energy Engineering, Dongguk University-Seoul)

Abstract ▼ AI-Helper

In this work, active control algorithm is adopted to reduce delamination effects of the damaged composite structure and control performance with MFC actuator is numerically evaluated. Finite element model for the damaged composite structure with piezoelectric actuator is established based on improved layerwise theory. In order to achieve high control performance, MFC actuator, which has increased actuating force, is considered as a piezoelectric actuator. Mode shapes and corresponding natural frequencies for the damaged smart composite structure are studied. After design and implementation of active controller, dynamic characteristics of the damaged smart composite structure are investigated.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

층간 분리가 존재하는 경우에는 변위 장이 층간 전단응력을 정확하게 나타낼 수 있어야 한다. 따라서 이 연구에서는 향상된 층간 변위장 모델을 사용하여 층간 분리 모델을 개발하였다. 향상된 층간 변위장 모델은 적층 복합재의 전체적인 거 동을 묘사하는 1차 전단 변위장 모델과 두께 방향의 층간 전단응력의 경계 조건과 연속 조건을 만족 하는 지그재그 층간 변위장 모델의 선형 중첩으로 이루어져 있다.
이 연구에서는 손상이 있는 적층 복합재에 MFC 작동기와 능동 제어 알고리즘을 적용하여, 손상이 구조물의 특성 변화에 주는 영향을 줄이고, 구조물 의 동적 특성을 유지할 수 있는지 평가하였다.
이 연구에서는 층간 분리와 같은 손상이 적층 복합재 구조물의 동적 특성을 변화에 주는 영향을 MFC 작동기와 능동제어 알고리즘을 이용하여 감소시키고 구조물의 동적 특성을 유지할 수 있는지 평가하였다. 향상된 층간 변위장 모델을 바탕으로 손상이 있는 복합재 구조물의 유한요소 모델을 구축하고, 건강한 상태와 손상이 있는 상태의 구조물에 대한 모드 해석을 통하여 손상이 구조물의 모드 특성 변화에 주는 영향을 확인하였다.

가설 설정

3 cm의 MFC 작동기가 고정된 끝 단으로부터 1 cm 떨어진 위치에 부착되어 있으며, 완벽하게 부착되어 있다는 가정을 통하 여 접착제의 두께 등에 의한 영향은 고려하지 않는 다. 구조물의 두께 방향 가운데 면에 층간 분리 형 태의 손상이 존재하는 것으로 가정하였으며, 층간 분리 면의 크기는 길이 10 cm, 폭 5 cm이고, 고정된 끝단으로부터 10 cm 떨어진 곳에 위치한다. 복합재 의 적층 배열은 0과 90로 8층을 교차 적층하고, 가운데 면을 중심으로 상하 대칭을 이루는 [0/90]4s 형태이다.
2 cm이다. 구조물의 표면에는 길 이 3 cm, 폭 3 cm, 두께 0.3 cm의 MFC 작동기가 고정된 끝 단으로부터 1 cm 떨어진 위치에 부착되어 있으며, 완벽하게 부착되어 있다는 가정을 통하 여 접착제의 두께 등에 의한 영향은 고려하지 않는 다. 구조물의 두께 방향 가운데 면에 층간 분리 형 태의 손상이 존재하는 것으로 가정하였으며, 층간 분리 면의 크기는 길이 10 cm, 폭 5 cm이고, 고정된 끝단으로부터 10 cm 떨어진 곳에 위치한다.
여기서 A 는 시스템 행렬, B 는 입력 행렬, u 는 제어 입력 행렬이다. 이 연구에서는 모든 상태 변수는 측정 및 피드백이 가능하고, 제어 입력은 제한되어 있지 않다는 가정을 바탕으로 pole placement 제어 알고리듬을 적용하였다. 제어 입력 u 는 다음과 같이 Ackermann의 공식으로부터 결정되었다.

제안 방법

향상 된 층간 변위장 모델을 이용하여 손상이 있는 복합 재 구조물에 대한 유한요소 모델을 구축하고, 이를 바탕으로 구조물의 모드 특성을 확인하였다. 구조물 의 제어를 위해 향상된 작동력을 갖는 MFC 작동기를 고려하였고, 능동 제어기를 설계하고 이를 적용 하여 손상에 의한 구조물의 특성 변화 효과를 능동 적으로 감소시킬 수 있는지 확인하였다.
1에서 제안된 구조물의 모 드 형상과 고유진동수를 확인하였다. 모드 해석은 구조물에 층간 분리가 존재하지 않는 건강한 상태 (healthy structure)와 층간 분리가 존재하는 손상된 상태(delaminated structure)에 대해서 각각 수행하였 다. 모드 형상은 두 경우 유사한 것으로 나타났으며, Fig.
모드 해석을 통해 Fig. 1에서 제안된 구조물의 모 드 형상과 고유진동수를 확인하였다. 모드 해석은 구조물에 층간 분리가 존재하지 않는 건강한 상태 (healthy structure)와 층간 분리가 존재하는 손상된 상태(delaminated structure)에 대해서 각각 수행하였 다.
제어 초기 최대 400 V의 전압이 인가되었으나, 200 V 이하의 전압으로 제어가 효과적으로 수행되었다. 이 연구에서는 하나의 MFC 작동기가 폭 방향의 가운데에 부착되어 있어 두 번째와 네 번째의 비틀림 모 드는 제어하지 않고, 첫 번째와 세 번째 굽힘 모드 만 제어를 수행하였다.
제안된 시스템의 제어 성능을 평가하기 위하여 특정 모드로 초기 변위를 설정하고 구조물을 가진한 후 제어기를 실행하여 구조물의 주파수 응답을 관찰 하였다. 첫번째 모드로 가진하고 첫 번째 모드만 제어를 수행한 경우의 주파수 응답 특성을 Fig.
이 연구에서는 손상이 있는 적층 복합재에 MFC 작동기와 능동 제어 알고리즘을 적용하여, 손상이 구조물의 특성 변화에 주는 영향을 줄이고, 구조물 의 동적 특성을 유지할 수 있는지 평가하였다. 향상 된 층간 변위장 모델을 이용하여 손상이 있는 복합 재 구조물에 대한 유한요소 모델을 구축하고, 이를 바탕으로 구조물의 모드 특성을 확인하였다. 구조물 의 제어를 위해 향상된 작동력을 갖는 MFC 작동기를 고려하였고, 능동 제어기를 설계하고 이를 적용 하여 손상에 의한 구조물의 특성 변화 효과를 능동 적으로 감소시킬 수 있는지 확인하였다.
이 연구에서는 층간 분리와 같은 손상이 적층 복합재 구조물의 동적 특성을 변화에 주는 영향을 MFC 작동기와 능동제어 알고리즘을 이용하여 감소시키고 구조물의 동적 특성을 유지할 수 있는지 평가하였다. 향상된 층간 변위장 모델을 바탕으로 손상이 있는 복합재 구조물의 유한요소 모델을 구축하고, 건강한 상태와 손상이 있는 상태의 구조물에 대한 모드 해석을 통하여 손상이 구조물의 모드 특성 변화에 주는 영향을 확인하였다. 제어 알고리즘을 바탕으로 MFC 작동기에 적절한 제어 입력을 인가하여 층간 분리와 같은 손상이 구조물에 주는 영향을 줄이고 건강한 상태의 구조물의 동적 특성을 유지할 수 있는 것을 확인하였다.

대상 데이터

1에 나타내었다. 구조물은 한 쪽 끝단이 고정된 외팔보 형태이며 길이는 30 cm, 폭 은 5 cm, 두께는 0.2 cm이다. 구조물의 표면에는 길 이 3 cm, 폭 3 cm, 두께 0.

이론/모형

그리고, 벡터 F_u 와 F_φ는 기계적, 전기적 외력을 나타낸다. MFC 작 동기는 면내 방향(1번 방향)으로 d33 압전 효과를 사용하므로 Table 1에 d11 상수로 나타내었으며, 일반적인 압전 세라믹 모델과 달리 등가 전기장 모델을 적용하였다⁽¹⁴⁾.

성능/효과

7에 나타내었다. 각 모드에서 손상에 의하여 고유진동수 가 낮아지는 것을 확인할 수 있으며, 제어를 수행하여 첫 번째 모드와 세 번째 모드의 고유진동수가 건강한 상태의 고유진동수로 회복되는 것을 확인할 수 있다. 두 번째 모드와 네 번째 모드의 고유진동수는 제어를 수행하지 않아 손상된 상태에서 복원되지 않 은 것을 확인할 수 있다.
5에 나타내었다. 구조물에 손상이 있는 경우, 첫 번 째와 세 번째 모드 모두 고유진동수가 낮아진 것을 확인할 수 있으며, 제어를 수행한 경우 손상이 없는 건강한 상태의 구조물 응답과 일치하는 것을 확인할 수 있다. 첫 번째 모드부터 네 번째 모드까지 동시에모두 가진하고 첫 번째 모드와 세 번째 모드를 제어 한 경우에 대한 시스템의 극점을 Fig.
각 모드에서 손상에 의하여 고유진동수 가 낮아지는 것을 확인할 수 있으며, 제어를 수행하여 첫 번째 모드와 세 번째 모드의 고유진동수가 건강한 상태의 고유진동수로 회복되는 것을 확인할 수 있다. 두 번째 모드와 네 번째 모드의 고유진동수는 제어를 수행하지 않아 손상된 상태에서 복원되지 않 은 것을 확인할 수 있다. 건강한 구조물, 손상이 있는 구조물, 제어를 수행한 구조물에 대한 고유진동 수 변화를 Table 3에 나타내었다.
손상이 있는 구조물의 응답은 건강한 상태의 응답보다 고유진 동수가 낮아졌으며, 이는 Table 2에 나타난 결과와 일치한다. 또한 손상이 있는 구조물에 제어를 수행 한 후에는 건강한 상태의 구조물 응답과 완벽히 일 치하는 것을 확인할 수 있다. 첫 번째 모드와 세 번째 모드로 동시에 가진하고 첫 번째 모드와 세번째 모드를 제어한 경우에 대한 구조물의 응답은 Fig.
일반적으로 적층 복합재 구조물은 뛰어난 비강도 와 비강성을 가지는 것으로 알려져 있어 경량 구조물 의 설계에 활용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 잘 알려진 바와 같이 미국 보잉사의 787기종의 경우 전체의 50 % 이상의 구조물에 복합재료가 사용되어 전체 구조물의 무게를 상당히 줄였으며, 디자이너 고든 머레이가 설계한 전기 자동차인 T.27의 경우 전체 구조물을 모두 복합재를 사용하여 차량의 경량화를 통한 에너지 효율 향상을 얻을 수 있었다. 그러나 이러한 적층 복합재 구조물은 횡 방향 충격하중에 취약하여 층간 분리와 같은 구조물의 손상이 발생할 수 있으며, 층간 분리와 같은 손상은 구조물의 강도를 크게 떨어뜨리고 수명을 단축시킬 수 있다.
향상된 층간 변위장 모델을 바탕으로 손상이 있는 복합재 구조물의 유한요소 모델을 구축하고, 건강한 상태와 손상이 있는 상태의 구조물에 대한 모드 해석을 통하여 손상이 구조물의 모드 특성 변화에 주는 영향을 확인하였다. 제어 알고리즘을 바탕으로 MFC 작동기에 적절한 제어 입력을 인가하여 층간 분리와 같은 손상이 구조물에 주는 영향을 줄이고 건강한 상태의 구조물의 동적 특성을 유지할 수 있는 것을 확인하였다. 향후 두 개 이상의 작동기를 사용하여 비틀림 모드의 제어에 대한 연구를 진행할 것이며, 다양한 제어 알고리즘과 관측기 모델을 적용한 연구도 수행할 계획이다.
8에 나타내었다. 제어 초기 최대 400 V의 전압이 인가되었으나, 200 V 이하의 전압으로 제어가 효과적으로 수행되었다. 이 연구에서는 하나의 MFC 작동기가 폭 방향의 가운데에 부착되어 있어 두 번째와 네 번째의 비틀림 모 드는 제어하지 않고, 첫 번째와 세 번째 굽힘 모드 만 제어를 수행하였다.

후속연구

제어 알고리즘을 바탕으로 MFC 작동기에 적절한 제어 입력을 인가하여 층간 분리와 같은 손상이 구조물에 주는 영향을 줄이고 건강한 상태의 구조물의 동적 특성을 유지할 수 있는 것을 확인하였다. 향후 두 개 이상의 작동기를 사용하여 비틀림 모드의 제어에 대한 연구를 진행할 것이며, 다양한 제어 알고리즘과 관측기 모델을 적용한 연구도 수행할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	구조 건전성 평가 기술은 무엇인가?	이에 층간 분리와 같은 구조물의 손상을 예측하거나 실시간으로 파악하는 구조 건전성 평가 기술 등에 대한 연구가 활발히 진행되어왔다. Giurgiutiu 등은 압전 재료와 표면 탄성파를 이용한 적층 복합재 구조물의 구조 건전성 평가에 대한 연구를 수행하였다(1,2).
	MFC 작동기와 능동 제어 알고리즘를 본 논문에서 도입한 이유는 무엇인가?	최근 플라스틱 수지 등을 이용하여 복합재 구조물에 발생한 층간 분리 손상을 일시적으로 치유하는 연구가 진행되었다(11,12). 그러나 구조물에 발생된 손상이 구조물의 특성 변화에 미치는 효과를 감소시키고 구조물의 특성을 유지하기 위해 압전 작동기와 능동제어 기법을 이용한 연구는 현재까지는 이루어지지 않고 있다.
	적층 복합재 구조물의 특징은 무엇인가?	일반적으로 적층 복합재 구조물은 뛰어난 비강도와 비강성을 가지는 것으로 알려져 있어 경량 구조물의 설계에 활용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 잘 알려진 바와 같이 미국 보잉사의 787기종의 경우 전체의 50％ 이상의 구조물에 복합재료가 사용되어 전체 구조물의 무게를 상당히 줄였으며, 디자이너 고든 머레이가 설계한 전기 자동차인 T.

참고문헌 (14)

Giurgiutiu, V., Bao, J. and Zhao, W., 2003, Piezoelectric Wafer Active Sensor Embedded Ultrasonics in Beams and Plates, Experimental Mechanics, Vol. 43, No. 4, pp. 428-449.

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Giurgiutiu, V. and Zagrai, A., 2005, Damage Detection in Thin Plates and Aerospace Structures with the Electro-mechanical Impedance Method, Structural Health Monitoring-an International Journal, Vol. 4, No. 2, pp. 99-118.

상세보기
Cho, M. and Kim, J. S., 2001, Higher-order Zig-zag Theory for Laminated Composites with Multiple Delaminations, Journal of Applied Mechanics- Transactions of the ASME, Vol. 68, No. 6, pp. 869-877.

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Chattopadhyay, A., Peralta, P., Papandreou- Suppappola, A. and Kovvali, N., 2009, A Multidisciplinary Approach to Structural Health Monitoring and Damage Prognosis of Aerospace Hotspots, Aeronautical Journal, Vol. 113, No. 1150, pp. 799-810.

상세보기
Radu, A. G. and Chattopadhyay, A., 2002, Dynamic Stability Analysis of Composite Plates Including Delaminations Using a Higher Order Theory and Transformation Matrix Approach, International Journal of Solids and Structures, Vol. 39, No. 7, pp. 1949-1965.

상세보기
Swann, C. and Chattopadhyay, A., 2006, Optimization of Piezoelectric Sensor Location for Delamination Detection in Composite Laminates, Engineering Optimization, Vol. 38, No. 5, pp. 511-528.

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Campanelli, R. W. and Engblom, J. J., 1995, The Effect of Delaminations in Graphite/PEEK Composite Plates on Modal Dynamic Characteristics, Composite Structures, Vol. 31, No. 3, pp. 195-202.

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Saravanos, D. A. and Hopkins D. A., 1996, Effects of Delaminations on the Damped Dynamic Characteristics of Composite Laminates: Analysis and Experiments, Journal of Sound and Vibration, Vol. 192, No. 5, pp. 977-993.

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Lee, J., 2000, Free Vibration Analysis of Delaminated Composite Beams, Computers and Structures, Vol. 74, No. 2, pp. 121-129.

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Kim, H. S., Kim, J. and Choi, S. B., 2005, Study on Dynamic Characteristics of Delaminated Smart Composite Laminates, Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Vol. 15, No. 4, pp. 395-403.

원문보기 상세보기
Pingkarawat, K., Wang C. H. and Varley, R. J., 2012, Self-healing of Delamination Fatigue Cracks in Carbon Fiber-epoxy Laminate Using Mendable Thermoplastic, Journal of Materials Science, Vol. 47, No. 10, pp. 4449-4456.

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Pingkarawat, K., Wang, C. H. and Varley, R. J., 2012, Self-healing of Delamination Cracks in Mendable Expocy Matrix Laminates Using Poly[ethylene- co-methacrylic acid] Thermoplastic, Composites. Part A. Applied Science and Manufacturing, Vol. 43, No. 8, pp. 1301-1307.

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Kim, H. S., Chattopadhyay, A. and Ghoshal, A., 2003, Dynamic Analysis of Composite Laminates with Multiple Delamination Using Improved Layerwise Theory, AIAA Journal, Vol. 41, No. 9, pp. 1771-1779.

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Sohn, J. W., Kim, H. S. and Choi, S. B., 2007, Vibration Suppression of Hull Structure Using MFC Actuators, Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Vol. 17, No. 7, pp. 587-595.

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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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