[논문]음향방출 에너지 기반 손상 위치표정 기법을 이용한 복합재 CNG 탱크의 충격 신호 위치표정

한병희; 윤동진; 박춘수; 이영신

doi:10.7779/jksnt.2016.36.5.391

음향방출 에너지 기반 손상 위치표정 기법을 이용한 복합재 CNG 탱크의 충격 신호 위치표정
Impact Source Location on Composite CNG Storage Tank Using Acoustic Emission Energy Based Signal Mapping Method 원문보기

비파괴검사학회지 = Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing, v.36 no.5, 2016년, pp.391 - 398

한병희 (한국표준과학연구원 안전측정센터) , 윤동진 (한국표준과학연구원 안전측정센터) , 박춘수 (한국표준과학연구원 안전측정센터) , 이영신 (충남대학교 기계설계공학과)

초록
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음향방출기법은 구조물에 존재하는 손상 및 손상 메커니즘을 규명하는 가장 유효한 비파괴검사 수단으로 널리 이용되고 있다. 그러나 기존의 손상위치표정 기법은 탄성파 전파 속도에 크게 의존하는 기법의 한계에 의하여 복합재료 또는 이종의 재료로 구성된 구조물에서의 손상을 탐지하기 어려운 한계점을 가지고 있다. 최근 다양한 분야에서 사용되고 있는 압축천연가스(CNG) 저장용기는 무게와 강성의 효율을 위하여 복합재료를 사용하여 외부를 보강하는 새로운 형태의 구조를 사용하고 있다. 이러한 다층 복합소재의 사용으로 기존의 손상탐지기법으로는 저장용기의 외부에서 가해지는 충격 혹은 결함에 의한 저장탱크에 발생한 손상의 측정이 매우 어렵게 되었다. 이러한 한계를 극복하기 위하여 본 연구에서는 선행연구를 통하여 개발된 에너지 기반 contour D/B map 기법을 이용하여 4 가지 형식의 CNG 저장탱크에 발생한 외부 충격 신호의 손상 위치를 측정하였다. 각각의 형식의 저장탱크에서 측정된 손상 위치 결과를 비교 분석하여 새로운 기법의 측정 성능을 알아보았다.

Abstract ▼ AI-Helper

Acoustic emission (AE) is one of the most powerful techniques for detecting damages and identify damage location during operations. However, in case of the source location technique, there is some limitation in conventional AE technology, because it strongly depends on wave speed in the corresponding structures having heterogeneous composite materials. A compressed natural gas(CNG) pressure vessel is usually made of carbon fiber composite outside of vessel for the purpose of strengthening. In this type of composite material, locating impact damage sources exactly using conventional time arrival method is difficult. To overcome this limitation, this study applied the previously developed Contour D/B map technique to four types of CNG storage tanks to identify the source location of damages caused by external shock. The results of the identification of the source location for different types were compared.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

금속 및 복합재료로 구성된 4가지의 실린더형 고압 연료 탱크를 사용하여, 정적 상태에서 외부 충격에 의한 손상 위치를 탐지하는 본 실험을 통해, 새롭게 개발된 contour D/B 맵 기법의 적용 가능성을 확인하기 위한 실험을 실시하였다.
물론 오차범위가 가장 높은 Type-I의 경우에도 기존 기법에 비하여 낮은 오차 범위를 가지고 있다. 이러한 결과는 도달시간차 기법의 경우 단일 소재로 구성된 Type-I에서 탄성파 전파 속도의 변화가 적게 나타나므로 오차범위가 가장 낮았으며 복합소재의 비율이 높아질수록 탄성파의 감쇄가 심하게 나타나 문턱값 설정 변화에 따라 각각의 손상 입력 위치의 결과가 크게 바뀌어 전체적인 위치표정 오차 범위가 크게 증가하는 결과에 기인한다. 그에 반하여 contour D/B 맵의 경우는 문턱값이 위치표정 결과에 영향을 주지 않으므로 복합소재 비율의 증가에 따른 오차범위 증가 요인이 없으며, 오히려 복합소재의 비율이 증가할수록 감쇄가 높아져 실린더형 구조물에서 나타나는 원통형 구조를 돌아오는 반사파의 영향이 줄어들어 임의 손상 신호에 의해 반사파 발생이 심한 Type-I에 비하여 -II, -III, -IV의 결과가 좋게 나타나고 있다.

제안 방법

에너지 기반 contour D/B 맵 기법을 위한 맵 데이터 측정은, Type-IV tank를 기준으로 축 방향 10 cm 간격으로 13개 지점, 원주 방향으로 10 cm 간격으로 11개 지점으로 총 141개의 입력 포인트가 지정되었다. 각각의 지점에 Q-switch 레이저로 탄성파를 발생하여 D/B를 구축하였다. 손상 위치표정을 위하여 도달시간차 기법과 같은 손상 위치에 탄성파를 발생하여 위치표정 결과를 비교하였다.
다양한 주파수 대역의 신호를 simulation 하기 위하여 손상을 모사한 임의 신호는 음향방출 실험에서 일반적으로 사용하는 pencil lead break(PLB)와 함께 저주파수 충격 신호를 모사한 metal impact를 사용하였으며 7군데의 손상 위치 별로 3회의 반복 실험을 통하여 평균 오차를 구하였다. Metal Impact는 금속 구체를 일정 높이에서 자유 낙하시켜 충격을 발생시키는 방법으로 같은 에너지를 반복적으로 발생시켰다.
본 연구에서는 서로 다른 재료와 제작 기법으로 구성된 4개의 복합재료 CNG 저장용기에 선행연구를 통하여 개발된 음향방출 위치표정 기법인 에너지 기반 contour D/B 맵 기법을 적용하여 외부에서 발생한 임의 손상 신호의 위치표정을 실시하였으며, 이를 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 선행연구를 통하여 개발된 contour D/B 맵 기법을 각각 다른 특징을 가지는 4가지 type의 CNG 저장용기에 적용하여 외부 충격에 의한 임의 손상 발생 위치를 탐지하였으며, 기존의 음향방출 기법인 도달시간차 기법과 비교를 통하여 각각의 type에서 측정된 위치표정 결과를 비교 및 고찰하였다.
본 연구에서는 실린더형 고압탱크 양쪽의 반구형 부분을 제외한 원통 부분에서 mapping data를 측정하였으며 mapping data 측정을 위한 탄성파 입력 위치는 Fig. 3과 같다. Fig.
Metal Impact는 금속 구체를 일정 높이에서 자유 낙하시켜 충격을 발생시키는 방법으로 같은 에너지를 반복적으로 발생시켰다. 본 연구의 contour D/B 맵 기법의 D/B 구축을 위한 mapping 입력 신호는 2차원 스캐닝이 가능한 Q-switch pulse laser system을 통하여 발생된 탄성파를 이용하였다. 출력 에너지 조절을 통하여 100 mJ부터 800 mJ까지 5단계로 에너지 출력이 조정된 레이저를 사용하여 탄성파를 발생시켰다.
각각의 지점에 Q-switch 레이저로 탄성파를 발생하여 D/B를 구축하였다. 손상 위치표정을 위하여 도달시간차 기법과 같은 손상 위치에 탄성파를 발생하여 위치표정 결과를 비교하였다.
신호 입력 위치의 간격과 센서 부착 위치는 대상 물체의 재질 및 크기, 형상 등을 고려하여 결정된다. 신호 입력 위치가 결정되면 각 신호 입력 위치에서 임의의 신호를 사용하여 탄성파 신호를 발생시켜 음향방출 센서로 측정한다. 측정된 음향방출 신호를 처리하여 얻어진 에너지 값이 신호 입력 위치를 대표하는 mapping data로 결정된다.
또한 스마트 어레이 센서를 사용한 새로운 기법의 사용에 관한 연구 또한 진행되었다[7]. 이 기법에서는 센서와 손상의 거리 차이에 의한 도달 시간차와 신호 감쇠의 변화를 관찰하여 손상의 위치를 측정하였다. 하지만 이러한 연구들 모두 탄성파의 속도가 기법의 정확도에 크게 영향을 주고 있다.
본 연구의 contour D/B 맵 기법의 D/B 구축을 위한 mapping 입력 신호는 2차원 스캐닝이 가능한 Q-switch pulse laser system을 통하여 발생된 탄성파를 이용하였다. 출력 에너지 조절을 통하여 100 mJ부터 800 mJ까지 5단계로 에너지 출력이 조정된 레이저를 사용하여 탄성파를 발생시켰다.

대상 데이터

4는 laser energy 800 mJ을 사용하여 측정된 D/B이다. 실험에 사용된 구조물은 실린더형으로, 그림에 나타난 신호맵은 이를 펼쳐 평면에 표현한 것이다. 그러므로 circumference direction의 0과 1100은 실린더의 시작과 끝으로 같은 위치이다.
에너지 기반 contour D/B 맵 기법을 위한 맵 데이터 측정은, Type-IV tank를 기준으로 축 방향 10 cm 간격으로 13개 지점, 원주 방향으로 10 cm 간격으로 11개 지점으로 총 141개의 입력 포인트가 지정되었다. 각각의 지점에 Q-switch 레이저로 탄성파를 발생하여 D/B를 구축하였다.

이론/모형

맵 데이터 측정 및 임의 신호 위치표정 시험에 사용된 센서는 모두 PAC사의 150 kHz 공진형 센서(R15I)이며 위치표정 기법을 위해서 Gage사의 high speed digitizer와 Labview를 사용하여 직접 개발한 측정 소프트웨어가 사용되었다.
본 연구에서 사용된 원통형 실린더 형상의 구조물의 손상 위치표정을 위하여 음향방출 기법을 적용하게 되면, 센서의 부착이 까다롭고 모니터링 가능한 영역이 한정되는 단점이 있다. 이러한 단점을 고려하여 손상 신호가 가지고 있는 에너지 값을 사용한 신호 맵핑 알고리즘을 적용하여 손상 위치표정을 실시하였다.

성능/효과

▸ Contour D/B 맵 기법은 복합소재의 비율이 높은 Type-IV에서 가장 좋은 결과를 보여주어, 복합 소재에 더욱 적합함을 확인하였다.
▸ Contour D/B 맵 기법의 특징인 오차 범위 조정에 의한 손상위치를 표정 알고리즘을 통하여, 제한된 맵 데이터로도 다양한 손상 신호의 검출이 가능하였다.
▸ 복합소재 고압 실린더 구조물에서 임의의 손상을 가정한 외부 충격신호 탐지 실험 결과, 10 % 이하의 낮은 오차 범위로 손상 신호를 탐지 가능함을 확인하였다.
▸ 복합소재의 비율이 다른 4개의 CNG tank의 위치표정 결과에서, contour D/B 맵 기법은 금속 재료에 비하여 더 낮은 오차 범위로 위치 표정이 가능하였다
▸ 서로 다른 에너지와 주파수 대역을 가지는 임의 손상 신호간의 위치표정 결과를 통하여 laser 가진 신호로 구성된 D/B가 다양한 손상 신호의 위치표정에 적용 가능함을 확인하였다.
각각의 타입별로 측정된 손상 위치표정 결과를 Table 4에 타입별 평균을 구하여 표시하였다. 각각의 표는 PLB 0.5 mm의 임의 손상 신호를 사용하여 측정한 결과이며, Table 3의 도달시간차 기법의 탄성파 전파 속도와 문턱값의 변화가 위치표정 결과 변화에 영향을 미치는 경우를 고려하여 다양한 측정 조건 중에서 위치표정 결과가 가장 좋은 조건에서의 결과만을 사용하여 평균 오차를 나타내었다. 구조물에 부착된 센서간 거리를 오차율 100%로 하였을 때, 도달시간차 기법의 경우 40% 가까이 되는 높은 오차율을 보여줌을 알 수 있다.
5 mm의 임의 손상 신호를 사용하여 측정한 결과이며, Table 3의 도달시간차 기법의 탄성파 전파 속도와 문턱값의 변화가 위치표정 결과 변화에 영향을 미치는 경우를 고려하여 다양한 측정 조건 중에서 위치표정 결과가 가장 좋은 조건에서의 결과만을 사용하여 평균 오차를 나타내었다. 구조물에 부착된 센서간 거리를 오차율 100%로 하였을 때, 도달시간차 기법의 경우 40% 가까이 되는 높은 오차율을 보여줌을 알 수 있다. 그에 반해, contour D/B 맵 기법은 Type-I에서 다소 높지만 대부분 10% 이내의 오차 범위로 모든 손상을 찾아내고 있음을 확인 가능하다.
새롭게 개발된 기법의 검증을 위해 선행연구에서는 1500 × 800 mm의 크기를 가지는 이종 복합재 시편을 사용하여, 기존의 음향방출 위치표정 기법인 도달시간차 기법과 contour D/B 맵 기법의 손상 신호 위치표정 결과를 비교하였다. 선행연구에서 새롭게 개발된 contour D/B 맵 기법의 높은 측정 성능 및 낮은 오차율을 확인하였다.
Table 2의 오차는 임의 손상 신호의 입력 위치와 contour D/B 맵기법에 의해 측정된 위치의 직선 거리로 나타내었다. 저장용기의 변화에 따라 위치표정 오차 값이 변하지만, 모든 경우에서 100 mm 이하의 오차를 가지고 위치표정이 가능함을 알 수 있다. 특히 주파수 특성과 에너지 크기가 다른 3 가지의 임의 손상 신호에서 모두 손상 위치를 특정하여 손상 위치를 찾지 못하는 경우가 자주 발생하는 기존의 기법에 비하여 개선된 결과를 보여주었다.
저장용기의 변화에 따라 위치표정 오차 값이 변하지만, 모든 경우에서 100 mm 이하의 오차를 가지고 위치표정이 가능함을 알 수 있다. 특히 주파수 특성과 에너지 크기가 다른 3 가지의 임의 손상 신호에서 모두 손상 위치를 특정하여 손상 위치를 찾지 못하는 경우가 자주 발생하는 기존의 기법에 비하여 개선된 결과를 보여주었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	기존의 손상위치표정 기법의 한계점은 무엇인가?	음향방출기법은 구조물에 존재하는 손상 및 손상 메커니즘을 규명하는 가장 유효한 비파괴검사 수단으로 널리 이용되고 있다. 그러나 기존의 손상위치표정 기법은 탄성파 전파 속도에 크게 의존하는 기법의 한계에 의하여 복합재료 또는 이종의 재료로 구성된 구조물에서의 손상을 탐지하기 어려운 한계점을 가지고 있다. 최근 다양한 분야에서 사용되고 있는 압축천연가스(CNG) 저장용기는 무게와 강성의 효율을 위하여 복합재료를 사용하여 외부를 보강하는 새로운 형태의 구조를 사용하고 있다.
	음향방출기법은 무엇으로 이용되고 있는가?	음향방출기법은 구조물에 존재하는 손상 및 손상 메커니즘을 규명하는 가장 유효한 비파괴검사 수단으로 널리 이용되고 있다. 그러나 기존의 손상위치표정 기법은 탄성파 전파 속도에 크게 의존하는 기법의 한계에 의하여 복합재료 또는 이종의 재료로 구성된 구조물에서의 손상을 탐지하기 어려운 한계점을 가지고 있다.

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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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