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문제 정의
- Energy based contour map 기법의 적용 가능성을 확인하기 위해 본 연구에서는 금속 단일재료로 만들어진 CNG 탱크와 금속 실린더에 GFRP(glass fiber reinforced plastic)로 와인딩된 복합재 CNG 탱크 시편을 이용하여 비교하였다. 단일재료와 복합재 CNG 탱크 시편에서 각 위치에서 측정된 waveform을 기반으로 D/B를 미리 구축하고 구축된 D/B와 CNG 탱크 운용중에 결함으로 인해 발생된 음향방출 신호를 비교, 분석하여 손상 위치표정을 실시하였다.
제안 방법
- Energy based contour map 기법을 도달시간차기법과 비교하여 적용하기 위해 도달시간차 기법을 이용한 위치표정 실험과 동일한 AE 센서와 부착 위치를 동일하게 하였다. 맵 생성을 위한 D/B를 구축하기 위해 축방향과 원주방향 각각 100 mm 간격으로 Type-I은 축방향 17개, 원주방향 11개로 총 187개 지점에, Type-II는 축방향 18개, 원주방향 11개로 총 198개 지점에 탄성파를 입력하였다.
- PLB Φ 0.5 mm, 0.3 mm와 육각렌치 metal impact로 7개의 임의 지점에 각각 3번씩 반복 실험하여 정량적인 모의 충격을 가하였으며 도달시간차 기법과 energy based contour map 기법으로 각각 위치표정을 실시하고 비교하였다.
- Type-I 탱크와 Type-II 탱크에 비슷한 임의의 7개 지점에 각각 3회씩 PLB Φ 0.5 mm, 0.3 mm와 metal impact로 모의 가진을 하였다.
- 이는 실제 CNG 탱크를 운용 중에 있어서 작은 에너지부터 큰 에너지 범위까지 R15I AE센서가 측정 가능한 넓은 에너지 범위의 손상을 위치표정하기 위함이다. Type-I은 250 mJ, 500 mJ의 에너지로, Type-II는 100, 200, 400, 600, 800 mJ의 에너지로 D/B를 구축하였다. Type-I의 Laser D/B가 적은 이유는 스틸로 이루어져있어 탄성파의 감쇠가 매우 적어 실린더 구조물을 원주방향으로 계속 돌면서 전파하기 때문에 여러 개의 wave group이 측정되어 D/B 구축이 어려웠기 때문이다.
- Type-II와 같은 복합재 이방성 구조물에서는 재료의 적층 방법 및 적층 방향에 따라 탄성파의 속도와 모드가 다양하며 분산이 심한 판파의 형태로 진행하여 그 파형이 복잡하다[10]. 그렇기 때문에 축방향과 원주방향으로 탄성파 속도를 측정하였다. 두 센서에서 측정된 first arrival peak의 시간차를 이용해 탄성파의 속도를 측정하였으며, 다수의 속도 측정 실험 중 실질적으로는 변화폭이 크고 각기 다른 속도값들이 측정되었기 때문에 대표적으로 측정된 평균값과 편차를 Table 1에 나타내었다.
- Energy based contour map 기법의 적용 가능성을 확인하기 위해 본 연구에서는 금속 단일재료로 만들어진 CNG 탱크와 금속 실린더에 GFRP(glass fiber reinforced plastic)로 와인딩된 복합재 CNG 탱크 시편을 이용하여 비교하였다. 단일재료와 복합재 CNG 탱크 시편에서 각 위치에서 측정된 waveform을 기반으로 D/B를 미리 구축하고 구축된 D/B와 CNG 탱크 운용중에 결함으로 인해 발생된 음향방출 신호를 비교, 분석하여 손상 위치표정을 실시하였다.
- 각 에너지별로 D/B로 생성한 contour map으로 각기 다른 세 가지 손상 에너지 크기에 대해 위치표정 결과를 퍼센트로 Table 3에 나타내었다. 도달시간차 기법과의 비교를 위해 동일하게 센서의 삼각형 영역 중 가장 먼 거리의 센서간 거리를 기준으로 두어 계산하였다. 도달시간차 기법에서처럼 매질에서의 정확한 탄성파 속도 입력과 실험 조건에 맞는 문턱값이 요구되지 않고 미리 구축된 D/B를 기반으로 위치표정이 실시되므로 7개 모든 지점에서 위치표정이 가능하였고 오차 범위 또한 현저히 낮음을 확인할 수 있다.
- 도달시간차를 이용한 종래의 AE기법은 매질에서의 정확한 속도를 AE 장비에 적용시켜야 하기 때문에 Type-I과 Type-II에서 탄성파 전파 속도를 측정하였다. 모의 탄성파 발생은 pencil lead break(PLB)로 하였으며 속도 측정을 위해 두 R15I 센서를 탄성파 발생 지점으로부터 각각 200 mm와 400 mm 이격된 곳에 설치하였다.
- 그렇기 때문에 축방향과 원주방향으로 탄성파 속도를 측정하였다. 두 센서에서 측정된 first arrival peak의 시간차를 이용해 탄성파의 속도를 측정하였으며, 다수의 속도 측정 실험 중 실질적으로는 변화폭이 크고 각기 다른 속도값들이 측정되었기 때문에 대표적으로 측정된 평균값과 편차를 Table 1에 나타내었다. Table 1에서 확인할 수 있듯이 Type-II의 경우 축방향과 원주방향으로의 탄성파 속도가 각기 다르게 측정되었다.
- 도달시간차를 이용한 종래의 AE기법은 매질에서의 정확한 속도를 AE 장비에 적용시켜야 하기 때문에 Type-I과 Type-II에서 탄성파 전파 속도를 측정하였다. 모의 탄성파 발생은 pencil lead break(PLB)로 하였으며 속도 측정을 위해 두 R15I 센서를 탄성파 발생 지점으로부터 각각 200 mm와 400 mm 이격된 곳에 설치하였다.
- 복합재 실린더 구조물이 가지는 구조적 특성과 복합소재에서의 탄성파 전파 특성으로 인한 도달 시간차 기법의 한계를 극복하기 위해 선행 연구된 energy based contour map을 CNG 탱크에 적용 연구하였다. Energy based contour map 기법은 손상 모니터링 관심 영역에 (m, n)의 일정 간격의 탄성파 신호 입력지점을 선정하여 각 실험 위치에 특정 발생원을 사용하여 탄성파 신호를 발생 하여 구조물에 부착된 AE 센서로 측정한다.
- 본 연구에서는 단일 재료와 이종복합소재로 만들어진 실린더형 구조물에서 기존 상용 AE장비에 사용된 도달시간차 기법과 선행 연구를 통해 개발된 energy based contour map 기법을 본 연구에서 CNG 탱크에 새롭게 적용·개발하여 위치표정을 실시하였다.
- 손상 신호를 모사하기 위해 Hsu-nelson pencil lead break test로 모의 탄성파를 발생시켰으며 Φ0.5 mm, 0.3 mm 샤프심과 금속 육각렌치를 이용하였다.
- 손상 위치표정을 하기 위해 두 개의 시편에 PAC社의 150 kHz 공진형 상용센서 R15I 4개를 사용하여 Fig. 1과 같이 배치하였다. 각 센서의 축방향 거리는 등간격이며 센서 1,3과 2,4는 서로 180°로 위치해있다.
- 그렇기 때문에 센서의 개수와 부착 위치가 위치표정에 영향을 미치며 구조물에서의 정확한 탄성파 속도가 요구된다. 앞서 측정한 각 시험편에서의 여러 속도값 중에 지배적인 탄성파 속도를 상용 AE 장비에 적용하고 문턱값은 주변 노이즈가 측정되지 않는 30 dB부터 50 dB까지 5 dB 간격으로 문턱값을 올려가며 위치표정을 하였다. Type-I 탱크와 Type-II 탱크에 비슷한 임의의 7개 지점에 각각 3회씩 PLB Φ 0.
- 이렇게 얻어진 contour D/B map으로 도달시간차 기법을 이용한 위치표정 실험에서와 동일한 7개의 임의 지점에 PLB로 Φ 0.5 mm와 0.3 mm 로, 그리고 육각렌치로 정량적으로 충격을 준 metal impact로 각각 서로 다른 크기의 손상 에너지를 내어 위치표정을 실시하였다.
- Type-II는 후프 부분만 GFRP로 90°로 와인딩 되어 있어 원주방향으로의 탄성파 속도가 더 빠름을 확인할 수 있었다. 측정된 탄성파의 속도를 상용 AE 장비에 적용하여 위치표정을 하였다. 위치표정을 한 영역은 Type-I에서는 축방향 1600 mm, 원주방향 1120 mm이고, Type-II에서는 1700 mm, 1130 mm의 크기에서 위치표정을 실시하였다.
- 맵 생성을 위한 D/B를 구축하기 위해 축방향과 원주방향 각각 100 mm 간격으로 Type-I은 축방향 17개, 원주방향 11개로 총 187개 지점에, Type-II는 축방향 18개, 원주방향 11개로 총 198개 지점에 탄성파를 입력하였다. 탄성파 입력은 Galvanometer를 설치 하여 2차원 스캐닝이 가능한 Q-switched ND-YAG laser를 이용하여 100 mJ부터 800 mJ까지 가진에너지를 변화시켜 가면서 D/B를 구축하였다. 이는 실제 CNG 탱크를 운용 중에 있어서 작은 에너지부터 큰 에너지 범위까지 R15I AE센서가 측정 가능한 넓은 에너지 범위의 손상을 위치표정하기 위함이다.
대상 데이터
- 1에 두 시편을 나타내었다. Type-I의 크기는 길이 1800 mm, 둘레 1120 mm이며, Type-II는 길이 1900 mm, 둘레 1130 mm이다.
- Energy based contour map 기법을 도달시간차기법과 비교하여 적용하기 위해 도달시간차 기법을 이용한 위치표정 실험과 동일한 AE 센서와 부착 위치를 동일하게 하였다. 맵 생성을 위한 D/B를 구축하기 위해 축방향과 원주방향 각각 100 mm 간격으로 Type-I은 축방향 17개, 원주방향 11개로 총 187개 지점에, Type-II는 축방향 18개, 원주방향 11개로 총 198개 지점에 탄성파를 입력하였다. 탄성파 입력은 Galvanometer를 설치 하여 2차원 스캐닝이 가능한 Q-switched ND-YAG laser를 이용하여 100 mJ부터 800 mJ까지 가진에너지를 변화시켜 가면서 D/B를 구축하였다.
- 본 연구에 사용된 시편은 스틸로만 이루어진 Type-I과 스틸 실린더 위에 후프 부분만 GFRP로 와인딩되어 보강된 Type-II가 사용되었고 Fig. 1에 두 시편을 나타내었다. Type-I의 크기는 길이 1800 mm, 둘레 1120 mm이며, Type-II는 길이 1900 mm, 둘레 1130 mm이다.
- 1과 같이 시험편 표면에 부착하였다. 본 연구에서 사용된 두 기법간의 위치표정 결과 비교를 위하여 같은 센서와 같은 위치에서의 임의 손상 신호를 사용하였다. Fig.
- 측정된 탄성파의 속도를 상용 AE 장비에 적용하여 위치표정을 하였다. 위치표정을 한 영역은 Type-I에서는 축방향 1600 mm, 원주방향 1120 mm이고, Type-II에서는 1700 mm, 1130 mm의 크기에서 위치표정을 실시하였다.
이론/모형
- 도달시간차 기법을 이용한 위치표정에는 PAC社 상용 AE 장비인 μSAMOS를 이용하였다.
- 본 연구에서는 스틸 실린더인 Type-I과 스틸 실린더 위에 후프 부문만 GFRP로 와인딩하여 보강된 Type-II 연료탱크에서 임의 손상을 발생시켜 도달시간차를 이용한 종래의 AE기법과 선행연구에서 개발된 energy based contour map 기법을 이용하여 위치표정을 실시하였다. 두 기법간의 결과뿐만 아니라 단일재료 시편과 복합재료 시편에서의 결과를 비교하여 energy based contour map 기법의 복합재 탱크에서의 적용 가능성을 확인하였고 기법 우수성을 검증하였다.
성능/효과
- 도달시간차 기법과의 비교를 위해 동일하게 센서의 삼각형 영역 중 가장 먼 거리의 센서간 거리를 기준으로 두어 계산하였다. 도달시간차 기법에서처럼 매질에서의 정확한 탄성파 속도 입력과 실험 조건에 맞는 문턱값이 요구되지 않고 미리 구축된 D/B를 기반으로 위치표정이 실시되므로 7개 모든 지점에서 위치표정이 가능하였고 오차 범위 또한 현저히 낮음을 확인할 수 있다. 또한 복합재 실린더 구조물인 Type-II에서의 위치표정오차율이 40%대로 매우 컸던 도달시간차 기법과는 달리 energy based contour map 기법은 오차율이 약 10% 이내로 매우 낮은 것을 볼 수 있다.
- 도달시간차 기법의 결과는 단일 재료인 스틸로 이루어진 Type-I에서도 실린더의 구조적 특성상 약 30%의 높은 오차율을 보였으며, Type-II에서는 탄성파의 속도 및 분산 특성이 구조물의 방향마다 다른 이종복합재 구조물의 특성으로 0%를 넘는 큰 오차를 보였다.
- 본 연구에서는 스틸 실린더인 Type-I과 스틸 실린더 위에 후프 부문만 GFRP로 와인딩하여 보강된 Type-II 연료탱크에서 임의 손상을 발생시켜 도달시간차를 이용한 종래의 AE기법과 선행연구에서 개발된 energy based contour map 기법을 이용하여 위치표정을 실시하였다. 두 기법간의 결과뿐만 아니라 단일재료 시편과 복합재료 시편에서의 결과를 비교하여 energy based contour map 기법의 복합재 탱크에서의 적용 가능성을 확인하였고 기법 우수성을 검증하였다.
- 따라서 구조물의 방향에 따라 탄성파의 속도및 분산 특성이 다르게 나타나는 Type-II와 같은 복합재 실린더 구조물에서 더 높은 오차율을 보인 도달시간차 기법과 달리 energy based contour map 기법은 매우 낮은 오차율을 보이고 뛰어난 위치표정 결과를 얻을 수 있음을 확인하였다.
- 도달시간차 기법의 결과는 단일 재료인 스틸로 이루어진 Type-I에서도 실린더의 구조적 특성상 약 30%의 높은 오차율을 보였으며, Type-II에서는 탄성파의 속도 및 분산 특성이 구조물의 방향마다 다른 이종복합재 구조물의 특성으로 0%를 넘는 큰 오차를 보였다. 또한 Type-I, II 모두 도달시간차 기법은 임의 가진 지점별로 혹은 문턱값별로 편차가 매우 큰 오차를 보였다. 하지만 energy based contour map 기법의 결과는 Type-I에서의 D/B 구축에 있어 앞서 언급한 애로사항으로 2개의 laser D/B로만 위치 표정을 하였지만 종래의 도달시간차 기법에 비해 훨씬 더 낮은 오차율을 보였으며, Type-II에서는 10% 내의 매우 낮은 오차율을 보였고 편차 또한 작아 여러 조건에서 좋은 결과를 보였다.
- 또한 도달시간차 기법에서는 센서의 부착 위치와 센서들이 커버하는 영역에 따라 위치표정이 불가한 지점도 있었지만 energy based contour map 기법은 각 센서로부터 구축된 contour D/B map으로 손상 위치로부터 측정된 음향방출 신호 이벤트의 에너지값과 동일한 에너지 밴드를 확장시켜가면서 교차되어 중첩된 에너지값들로부터 위치표정을 하기 때문에 D/B가 구축된 모든 영역과 어떤 조건에서도 위치표정이 항상 가능하였다. 또한 여러 에너지 크기별로 laser source로만 가진하여 구축한 D/B를 기반으로 서로 다른 주파수 대역과 에너지를 가지는 다른 임의 손상 신호들도 위치표정이 가능하였고 오차율 또한 매우 낮았다.
- 앞서 구한 Type-II의 방향별 속도의 차이와 CNG 탱크 타입별 위치표정 오차 결과의 차이에서 볼 수 있듯이 복합재 실린더 구조물에서 전파 방향에 따라 탄성파의 속도 및 분산 특성이 다르게 나타남과 실린더 구조물의 특성 때문에 정확한 위치표정을 위해서 특정 문턱값과 정확한 탄성파 속도를 결정해서 적용해야하는 도달시간차기법은 복합재 CNG 연료탱크에서의 위치표정에 어려움과 한계가 있음을 확인하였다.
- 여러 형태의 실험을 통하여 기존 도달시간차기법과 새로운 기법을 비교하였고 새롭게 제안한 energy based contour map 기법은 구조물의 재료와 구조적 특성에 영향을 받지 않음을 보였다. 그렇기 때문에 매질에서의 정확한 탄성파 속도나 실험 조건에 따른 문턱값이 요구되지 않으며 위치표정 결과에 영향을 미치지 않는다.
- Energy based contour map 기법은 복합재 실린더 구조물과 같이 매질에서의 정확한 탄성파 속도와 조건에 맞는 문턱값이 위치표정 결과에 영향을 주지 않고 복합재가 사용되더라도 위치표정 결과에 영향을 미치지 않는다. 오히려 복합소재로 인한 탄성파의 감쇠로 더 명확한 contour map을 생성하여 도달시간차 기법과 달리 모든 영역에서 위치 표정이 가능하였고 위치표정 결과가 더 뛰어남을 확인할 수 있었다.
- 이러한 점들로 보아 기존 도달시간차 기법이 가진 문제점과 한계점을 energy based contour map 기법으로 개선 및 극복하였고 실린더와 같은 구조적 특성을 가지며 이종복합소재 구조물인 Type-II CNG 탱크에서 낮은 오차율과 모든 영역에서 위치표정이 가능한 점들로 인해 매우 효과적임을 확인하였다.
- 또한 Type-I, II 모두 도달시간차 기법은 임의 가진 지점별로 혹은 문턱값별로 편차가 매우 큰 오차를 보였다. 하지만 energy based contour map 기법의 결과는 Type-I에서의 D/B 구축에 있어 앞서 언급한 애로사항으로 2개의 laser D/B로만 위치 표정을 하였지만 종래의 도달시간차 기법에 비해 훨씬 더 낮은 오차율을 보였으며, Type-II에서는 10% 내의 매우 낮은 오차율을 보였고 편차 또한 작아 여러 조건에서 좋은 결과를 보였다. Energy based contour map 기법은 복합재 실린더 구조물과 같이 매질에서의 정확한 탄성파 속도와 조건에 맞는 문턱값이 위치표정 결과에 영향을 주지 않고 복합재가 사용되더라도 위치표정 결과에 영향을 미치지 않는다.
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