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문제 정의
- 본 논문은 초음파 결함 분석 프로그램으로 복합재 연소관의 초음파 신호에 대해 C-Scan 영상을 구현하는 방법에 대해 기술하였다.
- 초음파 신호 모델링은 복합재 연소관 내로 입사하는 초음파 전달 현상을 규명하기 위해 실시하였고, 복합재 연소관에 반사법을 적용한 초음파시험 기술 및 결함 분석 프로그램 개발의 가능성 여부를 알기 위해 실시하였다.
제안 방법
- 결함 검출 레벨은 FRP, FRP/내열고무 계면 및 내열고무 저면으로 나누어 설정하였다. FRP 층간분리 검출레벨은 FRP 층간분리로부터 반사되는 초음파 신호의 최대 진폭 크기에서 30%를 초과하는 영역을 결함으로 분류하였다. FRP/내열고무 미접착 검출레벨은 FRP/내열고무 미접착으로부터 반사되는 초음파 신호의 최대 진폭 크기에서 80%를 초과하는 영역을 결함으로 분류하였다.
- FRP/내열고무 미접착은 FRP 층간분리보다 복합재 연소관에 치명적 영향을 미치므로 FRP/내열고무 미접착과 FRP 층간분리는 반드시 구별되어야 한다. FRP 층간분리도 결함 깊이에 따라 합부 판정이 달라지므로 결함 깊이를 판독자가 손쉽게 알 수 있는 칼라매핑을 적용하였다.
- FRP 층간분리 검출레벨은 FRP 층간분리로부터 반사되는 초음파 신호의 최대 진폭 크기에서 30%를 초과하는 영역을 결함으로 분류하였다. FRP/내열고무 미접착 검출레벨은 FRP/내열고무 미접착으로부터 반사되는 초음파 신호의 최대 진폭 크기에서 80%를 초과하는 영역을 결함으로 분류하였다. 내열고무 저면의 결함 검출 레벨은 무결함 초음파 신호의 최대 진폭 크기에서 50%이하인 영역을 결함으로 분류하였다.
- 결함 검출 레벨은 FRP, FRP/내열고무 계면 및 내열고무 저면으로 나누어 설정하였다. FRP 층간분리 검출레벨은 FRP 층간분리로부터 반사되는 초음파 신호의 최대 진폭 크기에서 30%를 초과하는 영역을 결함으로 분류하였다.
- 결함 검출 레벨은 초음파 모델링 신호와 모의 결함시편을 이용하여 실험으로 계측한 초음파 신호를 분석하여 설정하였다. 복합재 연소관이 무결함인 경우 초음파는 접촉매질/FRP 계면에서 반사하고, FRP/내열고무 계면에서 반사하며, 내열고무 저면에서 반사한다.
- 그러므로 결함 깊이를 측정할 수 있는 반사법 개발이 절실히 요구되었다. 고감쇠 복합적층구조물의 결함 검출을 위한 초음파시험 개발을 착수하기에 앞서서 예비 실험으로써 투과법과 반사법을 Fig. 1에서 비교하였다.
- FRP/내열고무 미접착 검출레벨은 FRP/내열고무 미접착으로부터 반사되는 초음파 신호의 최대 진폭 크기에서 80%를 초과하는 영역을 결함으로 분류하였다. 내열고무 저면의 결함 검출 레벨은 무결함 초음파 신호의 최대 진폭 크기에서 50%이하인 영역을 결함으로 분류하였다. Fig.
- 복합재 연소관과 같이 다중 접착계면을 갖는 구조물의 초음파 전달 현상을 규명하기 위해 이항계수를 이용하여 시스템 응답 함수를 계산하였고, 탐촉자에 발생하는 실제 파형을 계측하여 입력 함수로 이용하였다. 선형시스템에서는 시스템 응답 함수와 입력 함수에 대해 콘볼류션 적분을 수행하여 Fig.
- 복합재 연소관에서 무결함 시편과 결함 시편을 채취하였으며, 검출된 결함을 보다 정밀하게 분석하기 위해 전산화 단층촬영 장비를 이용하여 단층촬영 영상을 취득하였고, 영상 현미경으로 결함 표면을 확대하여 분석하였다. Fig.
- 복합재 연소관의 초음파 결함 분석 프로그램은 Visual C++과 Delphi 7.0을 이용하여 작성하였으며, 복합재 연소관의 FRP 층간분리 및 FRP/내열고무 미접착을 정량적으로 검출하기 위해 개발하였다. 초음파 결함 분석 프로그램은 대용량의 초음파시험 데이터의 판독 신뢰도 향상을 위해 결함을 가시화하여 판독자가 보다 쉽게 결함을 판독할 수 있게 작성하였다.
- 복합재 연소관의 초음파시험 기술은 초음파 신호 처리 기법과 구동부를 제어하는 메카니즘을 이용하여 초음파 자동화 검사 시스템을 구축하였으며, 초음파 자동화 C-Scan 검사 시스템으로부터 계측되는 대용량의 초음파 신호들은 초음파 결함의 특성을 분석하여 자동으로 결함을 분석할 수 있는 프로그램을 개발하였다.
- 복합재 연소관의 초음파시험 데이터를 C-Scan 영상으로 변환하여 결함을 분석할 수 있는 프로그램을 개발하였고 다음과 같은 결론을 얻었다.
- FRP 층간분리는 검출되지 않았지만 계측된 초음파 신호를 정밀하게 분석한다면 반사법으로도 복합재 연소관의 FRP 층간분리 및 FRP/내열고무의 미접착 결함을 검출할 수 있다고 판단하였다. 이를 위하여 복합재 연소관의 결함 분석 프로그램을 개발하게 되었으며, 복합재 연소관에 존재하는 결함의 식별도를 높이기 위하여 거리진폭보상곡선, 결함 검출 레벨, 초음파위상분석 및 칼라매핑 등의 초음파 신호처리 기술을 결함 분석 프로그램에 적용하였다.
- 전산화 단층촬영은 시험 조건을 같게 하기 위해 무결함 시편과 결함 시편을 포개어 고정한 후 동시에 촬영하였다. Fig.
- 초음파시험으로 검출 가능한 최소 미접착 폭은 모의 결함 시편을 제작하여 측정하기가 곤란하기 때문에 FRP 층간분리 및 FRP/내열고무 미접착에 대해 삼중 매질에 대한 모델링을 하여 이론적으로 계산하고 예측하였다.
- 초음파시험을 개발하기 위하여 복합재 연소관에서 발생할 수 있는 결함들을 모사할 수 있는 모의결함 시편을 제작하였고, 모의결함시편을 이용하여 FRP와 내열고무에 대한 초음파 물성을 측정하였다. 초음파시험이 복합재 연소관에 적용가능한 지를 판단하기 위해 접촉매질/FRP/내열고무/공기층에 대한 초음파 신호를 모델링하여 초음파 신호를 예측하였다[1, 2].
- 복합재 연소관의 초음파시험 데이터는 결함 분석 프로그램을 적용하여 C-Scan 영상으로 변환하였으며, 일부 복합재 연소관에서 합부 판정 기준을 초과하는 FRP 층간분리가 검출되었다. 초음파시험을 검증하고 복합재 연소관 제작 공정에서 FRP 층간분리가 발생한 원인을 규명하기 위해 복합재 연소관을 절단하였다.
- 초음파시험을 개발하기 위하여 복합재 연소관에서 발생할 수 있는 결함들을 모사할 수 있는 모의결함 시편을 제작하였고, 모의결함시편을 이용하여 FRP와 내열고무에 대한 초음파 물성을 측정하였다. 초음파시험이 복합재 연소관에 적용가능한 지를 판단하기 위해 접촉매질/FRP/내열고무/공기층에 대한 초음파 신호를 모델링하여 초음파 신호를 예측하였다[1, 2].
데이터처리
- 3) 전산화 단층촬영 및 영상현미경 분석 결과를 통하여 복합재 연소관의 초음파 결함 분석 프로그램에 대한 결함 검출 능력을 검증하였다.
- 복합재 연소관의 초음파시험 데이터는 결함 분석 프로그램을 적용하여 C-Scan 영상으로 변환하였으며, 일부 복합재 연소관에서 합부 판정 기준을 초과하는 FRP 층간분리가 검출되었다. 초음파시험을 검증하고 복합재 연소관 제작 공정에서 FRP 층간분리가 발생한 원인을 규명하기 위해 복합재 연소관을 절단하였다.
성능/효과
- 1) 복합재 연소관 내부에 결함이 있으면 내열고무 저면 신호가 계측되지 않을 것이며, FRP 표면에서 결함까지 초음파가 진행할 때 소요되는 시간을 측정하면 결함 깊이를 측정할 수 있다.
- 2) 초음파 신호처리 기술을 적용하여 결함 분석 프로그램을 개발하면 복합재 연소관의 FRP 층간분리 및 FRP/내열고무 미접착을 정량적으로 검출할 수 있다.
- 7은 모의결함시편에 대해 칼라매핑이 적용된 C-Scan 영상이다. 결함 깊이에 따라 FRP/내열고무 미접착 및 FRP 층간분리가 구별됨을 알 수 있고, FRP 층간분리도 결함 깊이에 따라 다른 색상으로 표시됨을 알 수 있다.
- 무결함 시편은 제작 당시에 포함된 미세한 기공만 검출되었으나, 결함 시편은 FRP 표면으로부터 일정한 깊이에 FRP 층간분리 및 기공 층이 검출되었다. 결함 시편의 FRP 층간분리 및 기공 층에 대해 영상현미경으로 관찰한 결과, Helical 층에서 FRP 층간분리 및 다수의 기공이 육안으로 확인 확인되었다.
- 접촉매질/FRP 계면은 반사계수가 양수이므로 위상이 반전되지만, FRP 층간분리, FRP/내열고무 계면, 내열고무 저면은 반사계수가 음수이므로 위상이 반전되지 않는다. 그러므로 접촉매질/FRP 계면은 RF 신호의 양수 값을 표시하였고, FRP 층간분리, FRP/내열고무 계면, 내열고무 저면은 RF 신호의 음수 값만을 표시하여 결함의 깊이를 정밀하게 측정할 수 있었다.
- 복합재 연소관의 안정성은 전체 유도무기 시스템의 성공 여부와 직결되었으며, 복합재 연소관에 일정 크기 이상의 결함이 존재하면 추진제 연소시 고온·고압의 연소 환경에서 치명적인 결함으로 나타나 추진기관의 내열 파괴에 의한 구조 파괴까지 초래할 수 있다.
- 전산화 단층촬영 및 영상현미경 분석 결과를 통하여 복합재 연소관의 초음파 결함 분석 프로그램에 대한 결함 검출 능력을 검증할 수 있었으며, 복합재 연소관의 품질보증의 수단으로 활용할 수 있음을 확인하였다.
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