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적층배열 변화에 따른 진동하는 복합재료 적층 구조의 미시역학적 물성변화 추정
Determination of Degraded Properties of Vibrating Laminated Composite Plates for Different Layup Sequences 원문보기

Composites research = 복합재료, v.28 no.5, 2015년, pp.277 - 284  

김규동 (Department of Civil Engineering, Andong National University) ,  이상열 (Department of Civil Engineering, Andong National University)

초록
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본 연구의 목적은 고유진동 응답데이터로부터 적층된 GFRP 판구조의 섬유 물성 변화를 추정하는 것이다. 고등유한요소 상용프로그램(ABAQUS)와 연동된 알고리즘은 미시역학적 관점에서 손상된 요소를 추정할 뿐만 아니라 위치, 개수 및 정도를 탐색할 수 있다. 연동된 기법을 적용하여 역문제를 해결하기 위하여 본 연구에서는 모드형상 대신 제한된 몇 개의 고유진동수 데이터만을 적용하였다. 몇가지 수치해석 결과로부터 제안된 시스템 기법은 다양한 적층배열을 갖는 복합재료 적층판과 같은 복잡한 구조물의 섬유 강성 변화를 추정하는 데 수치해석적으로 효율적임을 보여준다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This paper presents a method to detect the fiber property variation of laminated GFRP plates from natural frequency response data. The combined finite element analysis using ABAQUS and the inverse algorithm described in this paper may allow us not only to detect the deteriorated elements from the mi...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 복합재료 구조물의 손상을 예측하기 위해서는 동적시험 결과나 고유진동데이터 등과 같은 강도를 추정할 수 있는 데이터가 필요하다. 따라서 본 논문에서는 유한요소해석 프로그램인 Abaqus를 이용하여 고유진동해석을 수행하고 그 데이터를 기반으로 GFRP 박판 구조의 섬유 강성저하추정을 수행하였다. 복합재료를 미시역학적 관점을 고려하기 위해서는 모재와 섬유의 물성이 각각 필요하다.
  • 최근 마이크로 알고리즘이나 신경망-유전 하이브리드 알고리즘 등의 개선된 기법은 고유진동수만으로부터 보 혹은 뼈대구조물의 손상을 추정하기 위하여 개발되었다[10]. 따라서 본 연구에서는 박판 구조물로 확장하여 모드형상이 아닌 몇 개의 고유진동수 만을 가지고 수치해석 관점에서 손상을 역추정하는 방법을 사용하기로 한다. 본 연구는 크게 세가지 특징을 갖는다.
  • 세 번째로 복합소재 구조물의 주요 설계 변수인 적층배열 변화가 섬유의 물성저하 추정에 미치는 영향을 상세 분석한다. 본 연구는 적은 수의 계측 자료임에도 불구하고 제안한 알고리즘을 적용하여 자유 진동하는 유리섬유보강(GFRP) 적층판의 섬유 물성저하 위치 및 정도를 수치적 효율성 관점에서 효과적으로 추정할 수 있음을 입증하고자 한다.
  • 본 연구에서는 진동하는 GFRP 구조에 대하여 섬유 물성저하 탐지를 위한 시스템 인식 기법을 개발하였다. 본 논문의 특징은 시스템 인식기법을 실행하기 위하여 역문제 해결로 유전알고리즘을 적용하였으며, 상용프로그램과 연동기법을 개발한 것이다.

가설 설정

  • 식 (4)와 (5)는 섬유가 모재에 일정한 간격으로 정렬이 되어 있다는 가정 하에 유도된 것이다. 본 연구에서는 복합소재 적층판 구조의 손상을 전술한 미시역학 기반의 섬유의 물성 저하로 가정하고, 손상으로 인한 고유진동의 변화로부터 물성저하 위치 등을 추정하도록 한다.
  • 는 전체 복합소재 체적에 대한 섬유와 모재의 체적 비율을 각각 나타낸다. 재료역학적 접근법에서 가장 중요한 가정 사항은 F1방향 섬유 보강 복합재료의 최대변형률은 섬유의 최대 변형률과 같아야 한다는 것이다. 그 이유는 섬유가 모재보다 더 적은 변형률에 파괴가 되기 때문이다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
복합재료란? 복합재료는 두 가지 이상의 재료가 적절히 조합이 되어 보다 유용한 기능을 발현하는 재료이다. 그리고 재료의 성능에 비해서 경량이면서 모재와 섬유의 종류, 적층배열에
기존의 알고리즘이 구조물의 손상 탐지를 위한 자료로 각 진동 모드 형상을 이용한 경우가 대부분이었던 이유는? 한편, 기존의 알고리즘들은 구조물의 손상을 탐지하기 위한 계측 자료로서 각 진동 모드 형상을 이용한 경우가 대부분이었다. 이는 구조물의 고유진동수만으로는 역추정을 위한 기본자료가 부족하여 민감도가 저하되기 때문이다. 그러나 수치해석적 관점에서 가능한 적은 양의 자료를 사용할 수 있다면 바람직할 것이다.
보와 같은 구조 부재의 손상은 어떤 작용을 하는가? 손상이 발생한 구조 부재의 동적 특성은 중요한 연구주제로서 활발한 연구가 진행되어 왔다. 보와 같은 구조 부재에 발생된 손상은 부재의 고유진동수를 감소시킴으로서 강성을 약화시키는 작용을 하게 된다. 따라서 부재의 고유진동수 변화는 부재에 발생하는 균열 특성을 파악하는 중요한 요인이 되며, 고유진동수 측정치로부터 균열 및 손상의 위치 혹은 크기를 찾아내는 역문제를 해결하는 다양한 해석적 연구가 진행되었다[1].
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참고문헌 (14)

  1. Krawczuk, M., "Application of Spectral Beam Finite Element with a Crack and Iterative Search Technique for Damage Detection", Finite Elements in Analysis and Design, Vol. 38, 2002, pp. 537-548. 

  2. Yang, J.C.S., Tsai, T., Pavlin, V., Chen, J., and Tsai, W. H., "Structural Damage Detection by the System Identification Technique", Shock and Vibration, Vol. 55, 1985, pp. 57-68. 

  3. Rizos, P.F., Aspragathos, N., and Dimarogonas, A.D., "Identification of Crack Location and Magnitude in a Cantilever Beam from the Vibration Modes", J. Sound and Vibration, Vol. 138, 1990, pp. 381-388. 

  4. Ostachowicz, W.M. and Krawczuk, M., "Analysis of the Effect of Cracks on the Natural Frequencies of a Cantilever Beam", J. Sound and Vibration, Vol. 150, 1991, pp. 191-201. 

  5. Ruotolo, R. and Shifrin, E.I., "Natural Frequencies of a Beam with Arbitrary Number of Cracks", J. Sound and Vibration, Vol. 222, No. 3, 1999, pp. 409-423. 

  6. Salawu, O.S., "Detection of Structural Damage through Change in Frequency: A Review", Engng. Struct., Vol. 19, No. 9, 1997, pp. 718-723. 

  7. Morassi, A. and Rollo, M., "Identification of Two Cracks in a Simply Supported Beam from Minimal Frequency Measurements," J. Sound and Vibration, Vol. 7, 2001, pp. 729-739. 

  8. Holland, "Adaptation in Natural and Artificial Systems", Bradford Book, The MIT Press, Cambridge, MA, 1991. 

  9. Chou, J.H. and Ghaboussi, J., "Genetic Algorithm in Structural Damage Detection", Comput. Struct., Vol. 79, 2001, pp. 1335-1353. 

  10. Au, F.T.K., Cheng, Y.S., Tham, L.G., and Bai, Z., "Structural Damage Detection Based on a Micro-genetic Algorithm Using Incomplete and Noisy Modal Test Data", J. Sound and Vibration, Vol. 259, No. 5, 2003, pp. 1081-1094. 

  11. Gudmudson, P., "The Dynamic Behaviors of Slender Structures with Cross Section Cracks", J. Mech. and Phys. of Solids, Vol. 31, No. 4, 1982, pp. 329-345. 

  12. Christides, S. and Barr, A.D.S., "One-dimensional Theory of Cracked Bernulli-Euler Beams", I. J. Mechanics and Science, Vol. 26, No. 11/12, 1984, pp. 639-648. 

  13. Hewitt R.L. and Malherbe, M.C., "An Approximation for the Longitudinal Shear Modulus of Continuous Fiber Composites", Journal of Composite Materials, 1970, pp. 280-282. 

  14. Kim G.D., Rus G., and Lee S.Y., "Natural Frequency and Mode Characteristics of Composite Pole Structures for Different Layup Sequences", Journal of Korean Society for Advanced Composite Structures, Vol. 4, No. 1, 2013, pp. 9-14 (in Korean). 

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