KR102353635B1 - Structure health monitoring device and method using digital image correlation technique - Google Patents

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KR102353635B1 KR1020200058617A KR20200058617A KR102353635B1 KR 102353635 B1 KR102353635 B1 KR 102353635B1 KR 1020200058617 A KR1020200058617 A KR 1020200058617A KR 20200058617 A KR20200058617 A KR 20200058617A KR 102353635 B1 KR102353635 B1 KR 102353635B1
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Abstract

본 발명은 DIC 기법을 이용한 구조물 건전성 모니터링 장치 및 방법에 관한 것으로, 상기 장치는 특정 구조물에 대해 외부 자극을 제공하면서 상기 외부 자극의 제공 전후 각각의 시점에서 상기 특정 구조물에 대한 이미지를 획득하는 구조물 이미지 획득부, 상기 이미지를 기초로 상기 특정 구조물에 관한 고유 주파수(natural frequency), 감쇠비(damping ratio) 및 모드 형상(mode shape)을 포함하는 동특성을 산출하는 동특성 산출부 및 상기 동특성의 변화를 검출하여 상기 특정 구조물에 대한 손상을 감지하는 건전성 모니터링부를 포함한다.The present invention relates to an apparatus and method for monitoring structure health using a DIC technique, wherein the apparatus provides an external stimulus to a specific structure and acquires an image of the specific structure at each time point before and after the external stimulus is provided Acquisition unit, a dynamic characteristic calculator for calculating dynamic characteristics including natural frequency, damping ratio, and mode shape for the specific structure based on the image, and by detecting a change in the dynamic characteristics It includes a health monitoring unit for detecting damage to the specific structure.

Description

DIC 기법을 이용한 구조물 건전성 모니터링 장치 및 방법{STRUCTURE HEALTH MONITORING DEVICE AND METHOD USING DIGITAL IMAGE CORRELATION TECHNIQUE}Device and method for monitoring structural health using DIC technique

본 발명은 구조물 건전성 모니터링 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 구조물의 진동을 카메라로 촬영하고 구조물의 진동 특성에 관한 변화를 관찰하여 구조물의 건전성을 모니터링하는 DIC 기법을 이용한 구조물 건전성 모니터링 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a structure health monitoring technology, and more particularly, to a structure health monitoring apparatus and method using the DIC technique for monitoring the health of the structure by photographing the vibration of the structure with a camera and observing the change in the vibration characteristics of the structure. it's about

열 보호 시스템(TPS, thermal protection system)은 초음속 항공기 및 우주선이 초음속 비행 중 공기 역학적인 가열 및 음향 부하를 견디기 위하여 필요한 시스템이다. TPS 패널은 차량 동체를 위한 차폐 덮개 역할을 하며, 잔해(debris)로 인한 충격 손상을 견딜 수 있다. 금속성(metallic) TPS, 다층(multilayer) TPS, 통합(integrated) TPS 및 생체모방(bioinspired) TPS 등 다양한 유형의 TPS가 제안되어 왔으며, 열 및 열역학적 성능 테스트를 통해 검사되어 왔다.A thermal protection system (TPS) is a system necessary for supersonic aircraft and spacecraft to withstand aerodynamic heating and acoustic loads during supersonic flight. The TPS panel acts as a shielding cover for the vehicle fuselage and can withstand impact damage from debris. Various types of TPS, including metallic TPS, multilayer TPS, integrated TPS, and bioinspired TPS, have been proposed and tested through thermal and thermodynamic performance tests.

TPS 패널이 손상되면 차량의 동체는 더 극단적인 열, 압력 및 충격 부하에 노출될 수 있다. 따라서, TPS 패널은 차량의 구조, 하위 시스템 및 심지어 인간을 보호하는 데 중요한 역할을 하기 때문에 발사 전에 상태가 양호해야 한다. TPS 패널의 구조적 반응과 손상 상태를 모니터링 하는 것은 설계 및 유지 보수 프로세스에서 매우 중요할 수 있다.Damage to the TPS panel can expose the vehicle's fuselage to more extreme heat, pressure and shock loads. Therefore, TPS panels must be in good condition prior to launch, as they play an important role in protecting the vehicle's structure, subsystems and even humans. Monitoring the structural response and damage status of TPS panels can be very important in the design and maintenance process.

그럼에도 불구하고, 전통적인 방법으로 TPS 패널을 검사하는 것은 힘들고 비용이 많이 들어가기 때문에 새롭고 간단한 검사 방법에 대한 기술 개발이 요구되고 있다.Nevertheless, it is difficult and expensive to inspect TPS panels by traditional methods, so the development of new and simple inspection methods is required.

한국등록특허 제10-0553124호 (2006.02.10)Korea Patent No. 10-0553124 (2006.02.10)

본 발명의 일 실시예는 구조물의 진동을 카메라로 촬영하고 구조물의 진동 특성에 관한 변화를 관찰하여 구조물의 건전성을 모니터링하는 DIC 기법을 이용한 구조물 건전성 모니터링 장치 및 방법을 제공하고자 한다.An embodiment of the present invention is to provide a structure health monitoring apparatus and method using the DIC technique for monitoring the structure health by photographing the vibration of the structure with a camera and observing changes in the vibration characteristics of the structure.

본 발명의 일 실시예는 구조물을 비파괴적으로 검사함으로써 작업자의 안전성을 확보할 수 있는 DIC 기법을 이용한 구조물 건전성 모니터링 장치 및 방법을 제공하고자 한다.An embodiment of the present invention is to provide an apparatus and method for monitoring the health of a structure using the DIC technique, which can secure the safety of workers by non-destructively inspecting the structure.

실시예들 중에서, DIC 기법을 이용한 구조물 건전성 모니터링 장치는 특정 구조물에 대해 외부 자극을 제공하면서 상기 외부 자극의 제공 전후 각각의 시점에서 상기 특정 구조물에 대한 이미지를 획득하는 구조물 이미지 획득부, 상기 이미지를 기초로 상기 특정 구조물에 관한 고유 주파수(natural frequency), 감쇠비(damping ratio) 및 모드 형상(mode shape)을 포함하는 동특성을 산출하는 동특성 산출부 및 상기 동특성의 변화를 검출하여 상기 특정 구조물에 대한 손상을 감지하는 건전성 모니터링부를 포함한다.Among the embodiments, the structure health monitoring apparatus using the DIC technique provides an external stimulus for a specific structure, and a structure image acquisition unit that acquires an image of the specific structure at each time point before and after the external stimulus is provided; A dynamic characteristic calculator for calculating dynamic characteristics including a natural frequency, a damping ratio, and a mode shape for the specific structure based on the basis, and damage to the specific structure by detecting a change in the dynamic characteristics It includes a health monitoring unit that detects

상기 특정 구조물은 금속 TPS 패널(metallic TPS panel)로서, 사각 판형 구조를 형성하는 전면 플레이트, 상기 전면 플레이트와 소정의 간격으로 이격되어 평행하게 배치되는 후면 플레이트, 상기 전면 및 후면 플레이트들 사이에 배치되는 절연 부재(insulation material), 상기 전면 및 후면 플레이트들 간의 결합을 위한 복수의 볼트 조인트(bolted joint)들, 상기 복수의 볼트 조인트들 각각에 결합되어 상기 간격을 형성하는 스페이서(spacer)들 및 상기 스페이서들의 양단에 결합되는 와셔(washer)들을 포함할 수 있다.The specific structure is a metal TPS panel (metallic TPS panel), a front plate forming a rectangular plate-like structure, a rear plate spaced apart from the front plate at a predetermined distance and disposed in parallel, and disposed between the front and rear plates an insulation material, a plurality of bolted joints for coupling between the front and rear plates, spacers coupled to each of the plurality of bolted joints to form the gap, and the spacer It may include washers (washers) coupled to both ends of the.

상기 구조물 이미지 획득부는 적어도 두개의 미세 나일론 코드에 의해 자유 경계 조건에서 수직으로 지지되는 상기 특정 구조물에 대해 충격 해머(hammer)에 의한 물리적 접촉을 상기 외부 자극으로서 제공할 수 있다.The structure image acquisition unit may provide a physical contact by an impact hammer as the external stimulus to the specific structure vertically supported in a free boundary condition by at least two fine nylon cords.

상기 구조물 이미지 획득부는 1024 * 1024 픽셀의 해상도 및 50 mm의 초점 거리를 갖는 적어도 2개의 고속 카메라를 이용하여 프레임 속도, 셔터 속도 및 조리개 크기의 조합으로 설정되는 촬영 옵션에 따라 상기 외부 자극에 대한 응답으로서 상기 특정 구조물의 진동을 측정할 수 있다.The structure image acquisition unit uses at least two high-speed cameras having a resolution of 1024 * 1024 pixels and a focal length of 50 mm to respond to the external stimulus according to a shooting option set as a combination of frame rate, shutter speed, and aperture size As a result, the vibration of the specific structure can be measured.

상기 동특성 산출부는 프레임 속도, 대역폭 및 계수에 관한 확대 파라미터가 적용된 위상 기반 확대(phase-based magnification) 방법을 이용하여 상기 이미지를 확대시키는 전처리 동작을 수행할 수 있다.The dynamic characteristic calculator may perform a preprocessing operation of magnifying the image using a phase-based magnification method to which magnification parameters related to frame rate, bandwidth, and coefficient are applied.

상기 동특성 산출부는 상기 이미지를 입력으로 하여 DIC(Digital Image Correlation) 기법을 적용한 결과로서 사전 정의된 광학대상(DOF)의 변형 응답을 생성할 수 있다.The dynamic characteristic calculator may generate a predefined deformation response of the optical object (DOF) as a result of applying a digital image correlation (DIC) technique to the image as an input.

상기 동특성 산출부는 FFT 알고리즘을 사용하여 상기 변형 응답에 대한 스펙트럼 데이터를 산출하고 상기 스펙트럼 데이터로부터 상기 고유 주파수 및 상기 감쇠비를 산출할 수 있다.The dynamic characteristic calculator may calculate spectral data for the strain response using an FFT algorithm and calculate the natural frequency and the attenuation ratio from the spectral data.

상기 건전성 모니터링부는 상기 고유 주파수 및 감쇠비의 변화를 기초로 상기 손상을 감지하거나 또는 상기 모드 형상 간의 유사성에 관한 MAC(Modal Assurance Criterion)값을 기초로 상기 손상을 감지할 수 있다.The health monitoring unit may detect the damage based on changes in the natural frequency and the damping ratio, or detect the damage based on a Modal Assurance Criterion (MAC) value related to the similarity between the mode shapes.

실시예들 중에서, DIC 기법을 이용한 구조물 건전성 모니터링 방법은 특정 구조물에 대해 외부 자극을 제공하면서 상기 외부 자극의 제공 전후 각각의 시점에서 상기 특정 구조물에 대한 이미지를 획득하는 단계, 상기 이미지를 기초로 상기 특정 구조물에 관한 고유 주파수(natural frequency), 감쇠비(damping ratio) 및 모드 형상(mode shape)을 포함하는 동특성을 산출하는 단계 및 상기 동특성의 변화를 검출하여 상기 특정 구조물에 대한 손상을 감지하는 단계를 포함한다.In embodiments, the method for monitoring structure health using the DIC technique includes: acquiring an image of the specific structure at each time point before and after providing the external stimulus while providing an external stimulus to the specific structure; based on the image Calculating dynamic characteristics including natural frequency, damping ratio, and mode shape for a specific structure and detecting damage to the specific structure by detecting a change in the dynamic characteristics include

개시된 기술은 다음의 효과를 가질 수 있다. 다만, 특정 실시예가 다음의 효과를 전부 포함하여야 한다거나 다음의 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.The disclosed technology may have the following effects. However, this does not mean that a specific embodiment should include all of the following effects or only the following effects, so the scope of the disclosed technology should not be understood as being limited thereby.

본 발명의 일 실시예에 따른 DIC 기법을 이용한 구조물 건전성 모니터링 장치 및 방법은 구조물의 진동을 카메라로 촬영하고 구조물의 진동 특성에 관한 변화를 관찰하여 구조물의 건전성을 모니터링할 수 있다.The apparatus and method for monitoring structure health using the DIC technique according to an embodiment of the present invention may monitor the health of the structure by photographing the vibration of the structure with a camera and observing changes in the vibration characteristics of the structure.

본 발명의 일 실시예에 따른 DIC 기법을 이용한 구조물 건전성 모니터링 장치 및 방법은 구조물을 비파괴적으로 검사함으로써 작업자의 안전성을 확보할 수 있다.The apparatus and method for monitoring structure health using the DIC technique according to an embodiment of the present invention can secure the safety of workers by non-destructively inspecting the structure.

도 1은 본 발명에 따른 구조물 건전성 모니터링 시스템을 설명하는 도면이다.
도 2는 도 1의 구조물 건전성 모니터링 장치의 기능적 구성을 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 DIC 기반의 구조물 건전성 모니터링 과정을 설명하는 순서도이다.
도 4는 본 발명에 따른 특정 구조물의 일 실시예를 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 시험 구조물을 설명하는 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 동적 테스트의 실험 조건을 설명하는 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 시험 구조물 및 번호체계를 설명하는 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 시험 구조물의 모서리 근처의 하중 전달 플레이트의 반응 및 스펙트럼 데이터를 설명하는 도면이다.
도 9는 본 발명에 따른 하중 전달 플레이트의 고유 진동수와 모드 형상을 설명하는 도면이다.
도 10은 TPS 패널의 확대 변위를 얻기 위해 모션 배율과 3DPT 방법의 조합을 설명하는 도면이다.
도 11은 본 발명에 따른 DIC와 MAC 방법을 사용한 손상 감지 방법을 설명하는 도면이다.
1 is a view for explaining a structure health monitoring system according to the present invention.
FIG. 2 is a view for explaining a functional configuration of the structure health monitoring device of FIG. 1 .
3 is a flowchart illustrating a DIC-based structure health monitoring process according to the present invention.
4 is a view for explaining an embodiment of a specific structure according to the present invention.
5 is a view for explaining a test structure according to the present invention.
6 is a view for explaining the experimental conditions of the dynamic test according to the present invention.
7 is a view for explaining the test structure and the numbering system according to the present invention.
8 is a view for explaining the response and spectral data of the load transfer plate near the edge of the test structure according to the present invention.
9 is a view for explaining the natural frequency and mode shape of the load transfer plate according to the present invention.
10 is a view for explaining a combination of a motion magnification and a 3DPT method to obtain an enlarged displacement of a TPS panel.
11 is a view for explaining a damage detection method using the DIC and MAC methods according to the present invention.

본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.Since the description of the present invention is merely an embodiment for structural or functional description, the scope of the present invention should not be construed as being limited by the embodiment described in the text. That is, since the embodiment may have various changes and may have various forms, it should be understood that the scope of the present invention includes equivalents capable of realizing the technical idea. In addition, since the object or effect presented in the present invention does not mean that a specific embodiment should include all of them or only such effects, it should not be understood that the scope of the present invention is limited thereby.

한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.On the other hand, the meaning of the terms described in the present application should be understood as follows.

"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.Terms such as “first” and “second” are for distinguishing one component from another, and the scope of rights should not be limited by these terms. For example, a first component may be termed a second component, and similarly, a second component may also be termed a first component.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.When a component is referred to as being “connected to” another component, it may be directly connected to the other component, but it should be understood that other components may exist in between. On the other hand, when it is mentioned that a certain element is "directly connected" to another element, it should be understood that the other element does not exist in the middle. Meanwhile, other expressions describing the relationship between elements, that is, "between" and "between" or "neighboring to" and "directly adjacent to", etc., should be interpreted similarly.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다"또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The singular expression is to be understood as including the plural expression unless the context clearly dictates otherwise, and terms such as "comprises" or "have" refer to the embodied feature, number, step, action, component, part or these It is intended to indicate that a combination exists, and it should be understood that it does not preclude the possibility of the existence or addition of one or more other features or numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

각 단계들에 있어 식별부호(예를 들어, a, b, c 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.In each step, identification numbers (eg, a, b, c, etc.) are used for convenience of description, and identification numbers do not describe the order of each step, and each step clearly indicates a specific order in context. Unless otherwise specified, it may occur in a different order from the specified order. That is, each step may occur in the same order as specified, may be performed substantially simultaneously, or may be performed in the reverse order.

본 발명은 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현될 수 있고, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.The present invention can be embodied as computer-readable codes on a computer-readable recording medium, and the computer-readable recording medium includes all types of recording devices in which data readable by a computer system is stored. . Examples of the computer-readable recording medium include ROM, RAM, CD-ROM, magnetic tape, floppy disk, optical data storage device, and the like. In addition, the computer-readable recording medium is distributed in a computer system connected to a network, so that the computer-readable code can be stored and executed in a distributed manner.

여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.All terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the present invention belongs, unless otherwise defined. Terms defined in general used in the dictionary should be interpreted as having the meaning consistent with the context of the related art, and cannot be interpreted as having an ideal or excessively formal meaning unless explicitly defined in the present application.

도 1은 본 발명에 따른 구조물 건전성 모니터링 시스템을 설명하는 도면이다.1 is a view for explaining a structure health monitoring system according to the present invention.

도 1을 참조하면, 구조물 건전성 모니터링 시스템(100)은 진동 시험 시스템(110), 구조물 건전성 모니터링 장치(130) 및 데이터베이스(150)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1 , the structure health monitoring system 100 may include a vibration test system 110 , a structure health monitoring device 130 , and a database 150 .

진동 시험 시스템(110)은 구조물에 대한 진동 시험을 수행하는 시스템에 해당할 수 있고, 충격 해머(111), 특정 구조물(113) 및 고속 카메라(115)를 포함할 수 있다. 충격 해머(111)는 특정 구조물(113)에 일정한 충격을 가하는 망치에 해당할 수 있고, 특정 구조물(113)은 건전성 측정을 위한 구조물에 해당할 수 있으며, 고속 카메라(115)는 진동에 따른 구조물의 이미지를 촬영하는 카메라에 해당할 수 있다. 또한, 진동 시험 시스템(110)은 구조물 건전성 모니터링 장치(130)와 유선 또는 무선으로 연결되어 동작할 수 있다.The vibration test system 110 may correspond to a system for performing a vibration test on a structure, and may include an impact hammer 111 , a specific structure 113 , and a high-speed camera 115 . The impact hammer 111 may correspond to a hammer that applies a certain impact to the specific structure 113 , the specific structure 113 may correspond to a structure for measuring soundness, and the high-speed camera 115 is a structure according to vibration It may correspond to a camera that takes an image of In addition, the vibration test system 110 may operate by being connected to the structure health monitoring device 130 by wire or wirelessly.

충격 해머(111)는 진동 시험 및 구조물의 특성에 따라 다양한 구조, 형상 및 재질로 구현될 수 있다. 진동 시험 시스템(110)은 적어도 두 개의 고속 카메라(115)들을 포함하여 구현될 수 있고, 고속 카메라(115)는 충격 해머(111)의 동작에 맞춰 이미지 촬영 동작을 개시하기 위하여 별도의 트리거 장치와 연결되어 동작할 수 있다. 트리거 장치는 충격 해머(111)의 움직임에 따라 고속 카메라(115)에게 트리거 신호를 제공할 수 있다.The impact hammer 111 may be implemented in various structures, shapes, and materials according to the vibration test and characteristics of the structure. The vibration test system 110 may be implemented by including at least two high-speed cameras 115 , and the high-speed camera 115 includes a separate trigger device and a separate trigger device to initiate an image capturing operation in accordance with the operation of the impact hammer 111 . It can be connected and operated. The trigger device may provide a trigger signal to the high-speed camera 115 according to the movement of the impact hammer 111 .

일 실시예에서, 특정 구조물(113)은 금속 TPS 패널(metallic TPS panel)로서, 사각 판형 구조를 형성하는 전면 플레이트, 전면 플레이트와 소정의 간격으로 이격되어 평행하게 배치되는 후면 플레이트, 전면 및 후면 플레이트들 사이에 배치되는 절연 부재(Insulation material), 전면 및 후면 플레이트들 간의 결합을 위한 복수의 볼트 조인트(bolted joint)들, 복수의 볼트 조인트들 각각에 결합되어 소정의 간격을 형성하는 스페이서(Spacer)들 및 스페이서들의 양단에 결합되는 와셔(Washer)들을 포함하여 구성될 수 있다. In one embodiment, the specific structure 113 is a metallic TPS panel (metallic TPS panel). An insulation material disposed between the plurality of bolted joints for coupling between the front and rear plates, and a spacer coupled to each of the plurality of bolted joints to form a predetermined interval It may be configured to include washers (Washers) coupled to both ends of the and spacers.

도 4에서, 그림 (a)는 금속 TPS 패널의 측면도(Side view)이고, 그림 (b)는 금속 TPS 패널의 평면도(Top view)이고, 그림 (c)는 금속 TPS 패널의 3차원 모델이고, 그림 (d)는 볼트 조인트이고, 그림 (e)는 와셔이다.In Figure 4, (a) is a side view (Side view) of the metal TPS panel, Figure (b) is a top view (Top view) of the metal TPS panel, Figure (c) is a three-dimensional model of the metal TPS panel, Figure (d) is a bolted joint, and Figure (e) is a washer.

구조물 건전성 모니터링 장치(130)는 구조물의 진동을 카메라로 촬영하고 구조물의 진동 특성에 관한 변화를 관찰하여 구조물의 건전성을 모니터링 할 수 있는 컴퓨터 또는 프로그램에 해당하는 서버로 구현될 수 있다. 또한, 구조물 건전성 모니터링 장치(130)는 사용자 단말과 유선 네트워크 또는 블루투스, WiFi 등과 같은 무선 네트워크로 연결될 수 있고, 유선 또는 무선 네트워크를 통해 사용자 단말과 통신을 수행할 수 있다. 여기에서, 사용자 단말은 개인이 운용하는 다양한 컴퓨팅 장치로서 스마트폰, 노트북 또는 컴퓨터로 구현될 수 있으며, 반드시 이에 한정되지 않고, 태블릿 PC 등 다양한 디바이스로도 구현될 수 있다.The structure health monitoring device 130 may be implemented as a server corresponding to a computer or program capable of monitoring the health of the structure by photographing the vibration of the structure with a camera and observing changes in the vibration characteristics of the structure. In addition, the structure health monitoring apparatus 130 may be connected to the user terminal through a wired network or a wireless network such as Bluetooth or WiFi, and may communicate with the user terminal through a wired or wireless network. Here, the user terminal is various computing devices operated by an individual and may be implemented as a smartphone, a notebook computer, or a computer, but is not limited thereto, and may be implemented in various devices such as a tablet PC.

또한, 구조물 건전성 모니터링 장치(130)는 데이터베이스(150)와 연동하여 구조물 건전성 모니터링 과정에서 필요한 다양한 정보들을 저장할 수 있다. 한편, 구조물 건전성 모니터링 장치(130)는 도 1과 달리, 데이터베이스(150)를 내부에 포함하여 구현될 수 있다. 구조물 건전성 모니터링 장치(130)는 기본적인 시스템 구성으로서 프로세서, 메모리, 사용자 입출력부 및 네트워크 입출력부를 포함하여 구현될 수 있으며, 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.In addition, the structure health monitoring apparatus 130 may store various information required in the structure health monitoring process in conjunction with the database 150 . Meanwhile, the structure health monitoring apparatus 130 may be implemented by including the database 150 therein, unlike FIG. 1 . The structure health monitoring apparatus 130 may be implemented including a processor, a memory, a user input/output unit, and a network input/output unit as a basic system configuration, and a detailed description thereof will be omitted.

데이터베이스(150)는 구조물 건전성 모니터링 장치(130)가 DIC 기반의 구조물 건전성 모니터링 과정에서 필요한 다양한 정보들을 저장할 수 있다. 예를 들어, 데이터베이스(150)는 진동 시험 시스템(110)으로부터 수집한 구조물의 진동 데이터를 저장할 수 있고, 진동 데이터의 분석을 통해 산출되는 동특성에 관한 정보를 저장할 수 있으며, 반드시 이에 한정되지 않고, DIC 기반의 구조물 건전성 모니터링 과정에서 다양한 형태로 수집 또는 가공된 정보들을 저장할 수 있다.The database 150 may store various pieces of information necessary for the structure health monitoring apparatus 130 in a DIC-based structure health monitoring process. For example, the database 150 may store vibration data of a structure collected from the vibration test system 110, and may store information on dynamic characteristics calculated through analysis of vibration data, but is not necessarily limited thereto, Information collected or processed in various forms during the DIC-based structural health monitoring process can be stored.

도 2는 도 1의 구조물 건전성 모니터링 장치의 기능적 구성을 설명하는 도면이다.FIG. 2 is a view for explaining a functional configuration of the structure health monitoring device of FIG. 1 .

도 2를 참조하면, 구조물 건전성 모니터링 장치(130)는 구조물 이미지 획득부(210), 동특성 산출부(230), 건전성 모니터링부(250) 및 제어부(270)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 2 , the structure health monitoring apparatus 130 may include a structure image obtaining unit 210 , a dynamic characteristic calculating unit 230 , a health monitoring unit 250 , and a control unit 270 .

구조물 이미지 획득부(210)는 특정 구조물(113)에 대해 외부 자극을 제공하면서 외부 자극의 제공 전후 각각의 시점에서 특정 구조물에 대한 이미지를 획득할 수 있다. 이를 위하여, 구조물 이미지 획득부(210)는 진동 시험 시스템(110)과 연동하여 동작할 수 있고, 고속 카메라(115)와 독립적으로 연결되어 특정 구조물(113)에 관한 이미지를 획득할 수도 있다.The structure image acquisition unit 210 may acquire an image of the specific structure at each time point before and after the provision of the external stimulus while providing the external stimulus with respect to the specific structure 113 . To this end, the structure image acquisition unit 210 may operate in conjunction with the vibration test system 110 , and may be independently connected to the high-speed camera 115 to acquire an image regarding a specific structure 113 .

일 실시예에서, 구조물 이미지 획득부(210)는 적어도 두개의 미세 나일론 코드에 의해 자유 경계 조건에서 수직으로 지지되는 특정 구조물(113)에 대해 충격 해머(hammer)(111)에 의한 물리적 접촉을 외부 자극으로서 제공할 수 있다. 이를 위하여, 구조물 이미지 획득부(210)는 진동 시험 시스템(110)과 연동하여 동작할 수 있다. 특정 구조물(113)은 사각 형상의 판상 구조로 구현될 수 있고, 사각 형상의 모서리에 각각 두개의 미세 나일론 코드와 연결되는 통공을 포함할 수 있으며, 미세 나일론 코드는 각 통공에 연결되어 특정 구조물(113)을 지면으로부터 소정의 거리만큼 이격시켜 지지할 수 있다. 한편, 충격 해머(111)는 구동 장치에 의해 동작할 수 있으며, 특정 구조물(113)에 진동 발생을 위한 충격을 제공할 수 있다.In one embodiment, the structure image acquisition unit 210 externally applies a physical contact by an impact hammer 111 to a specific structure 113 supported vertically in a free boundary condition by at least two fine nylon cords. It can be provided as a stimulus. To this end, the structure image acquisition unit 210 may operate in conjunction with the vibration test system 110 . The specific structure 113 may be implemented as a plate-like structure of a square shape, and may include holes connected to two fine nylon cords, respectively, at the corners of the square shape, and the fine nylon cords may be connected to each hole to form a specific structure ( 113) can be supported by being spaced apart from the ground by a predetermined distance. On the other hand, the impact hammer 111 may be operated by a driving device, and may provide an impact for generating vibration to the specific structure 113 .

일 실시예에서, 구조물 이미지 획득부(210)는 1024 * 1024 픽셀의 해상도 및 50 mm의 초점 거리를 갖는 적어도 2개의 고속 카메라(115)를 이용하여 프레임 속도, 셔터 속도 및 조리개 크기의 조합으로 설정되는 촬영 옵션에 따라 외부 자극에 대한 응답으로서 특정 구조물의 진동을 측정할 수 있다. 예를 들어, 구조물 이미지 획득부(210)는 초당 3000 프레임의 프레임 속도와 1/6000 초의 셔터 속도 및 f/11의 조리개 크기의 촬영 옵션에 따라 2개의 고속 카메라(115)를 이용하여 특정 구조물의 진동을 측정할 수 있다. In one embodiment, the structure image acquisition unit 210 is set to a combination of frame rate, shutter speed and aperture size using at least two high-speed cameras 115 having a resolution of 1024 * 1024 pixels and a focal length of 50 mm. Vibration of a specific structure can be measured as a response to an external stimulus depending on the imaging option being used. For example, the structure image acquisition unit 210 uses two high-speed cameras 115 according to the shooting options of a frame rate of 3000 frames per second, a shutter speed of 1/6000 second, and an aperture size of f/11 to capture the image of a specific structure. Vibration can be measured.

한편, 구조물 이미지 획득부(210)는 진동 시험 시스템(110)과 연동하여 동작할 수 있으며, 촬영 옵션을 파라미터 정보로서 진동 시험 시스템(110)에 제공하고 해당 촬영 옵션을 통해 측정된 정보를 수신할 수 있다.On the other hand, the structure image acquisition unit 210 may operate in conjunction with the vibration test system 110, provide a shooting option as parameter information to the vibration test system 110, and receive information measured through the shooting option. can

동특성 산출부(230)는 이미지를 기초로 특정 구조물에 관한 고유 주파수(natural frequency), 감쇠비(damping ratio) 및 모드 형상(mode shape)을 포함하는 동특성을 산출할 수 있다. 동특성이란 구조물의 고유 특성으로서 구조물의 형상 및 지지상태에 따라 달라질 수 있다. 구조물의 동특성을 획득할 수 있다면, 주파수가 변동함에 따라 변동하는 물체의 모양(Mode shape) 등을 시뮬레이션을 통해 미리 알 수 있고, 최대 변형점이나 절대로 움직이지 않는 점(Node)도 알 수 있으며, 위험한 주파수 대역을 알아내어 그 주파수와 운전속도가 일치하지 않도록 설계조치의 변경작업을 수행할 수 있다.The dynamic characteristic calculator 230 may calculate dynamic characteristics including a natural frequency, a damping ratio, and a mode shape of a specific structure based on the image. Dynamic properties are inherent properties of a structure and may vary depending on the shape and support state of the structure. If the dynamic characteristics of the structure can be obtained, the shape of an object that changes as the frequency changes (Mode shape) can be known in advance through simulation, and the maximum deformation point or the point that never moves (Node) can be known. It is possible to find out the dangerous frequency band and change the design measures so that the frequency and the operating speed do not match.

일 실시예에서, 동특성 산출부(230)는 프레임 속도, 대역폭 및 계수에 관한 확대 파라미터가 적용된 위상 기반 확대(phase-based magnification) 방법을 이용하여 이미지를 확대시키는 전처리 동작을 수행할 수 있다. 예를 들어, 동특성 산출부(230)는 초당 3000 프레임의 프레임 속도와 3배의 확대 계수 및 355 ~ 365 Hz의 확대 대역폭을 기반으로 이미지 확대 동작을 수행할 수 있다.In an embodiment, the dynamic characteristic calculator 230 may perform a preprocessing operation of magnifying an image using a phase-based magnification method to which magnification parameters related to frame rate, bandwidth, and coefficient are applied. For example, the dynamic characteristic calculator 230 may perform an image enlargement operation based on a frame rate of 3000 frames per second, a triple magnification factor, and an magnification bandwidth of 355 to 365 Hz.

일 실시예에서, 동특성 산출부(230)는 이미지를 입력으로 하여 DIC(Digital Image Correlation) 기법을 적용한 결과로서 사전 정의된 광학대상(DOF)의 변형 응답을 생성할 수 있다. 여기에서, 광학대상(DOF)은 특정 구조물(113)의 표면에 설정될 수 있으며, 복수의 광학대상들은 소정의 패턴을 형성할 수 있다. 예를 들어, 사전 정의된 광학대상의 변형 응답은 DIC 기반의 ARAMIS 소프트웨어의 출력으로 생성될 수 있다.In an embodiment, the dynamic characteristic calculator 230 may generate a predefined deformation response of the optical object DOF as a result of applying a digital image correlation (DIC) technique to an image as an input. Here, the optical object DOF may be set on the surface of the specific structure 113 , and the plurality of optical objects may form a predetermined pattern. For example, a predefined deformation response of an optical object can be generated as an output of DIC-based ARAMIS software.

일 실시예에서, 동특성 산출부(230)는 FFT 알고리즘을 사용하여 변형 응답에 대한 스펙트럼 데이터를 산출하고 스펙트럼 데이터로부터 고유 주파수 및 감쇠비를 산출할 수 있다. 예를 들어, 변형 응답에 대한 스펙트럼 데이터는 FFT 알고리즘을 사용한 MATLAB 프로그램의 출력으로 생성될 수 있다.In an embodiment, the dynamic characteristic calculator 230 may calculate spectral data for the strain response using an FFT algorithm, and calculate a natural frequency and an attenuation ratio from the spectral data. For example, spectral data for the strain response can be generated as the output of a MATLAB program using an FFT algorithm.

건전성 모니터링부(250)는 동특성의 변화를 검출하여 특정 구조물에 대한 손상을 감지할 수 있다. 즉, 건전성 모니터링부(250)는 구조물에 가해진 충격 등의 외부 자극에 의해 발생하는 동특성의 변화를 관찰한 결과로서 해당 구조물에 대한 손상 여부를 검출할 수 있다.The health monitoring unit 250 may detect damage to a specific structure by detecting a change in dynamic characteristics. That is, the health monitoring unit 250 may detect whether the structure is damaged as a result of observing the change in dynamic characteristics caused by an external stimulus such as an impact applied to the structure.

일 실시예에서, 건전성 모니터링부(250)는 고유 주파수 및 감쇠비의 변화를 기초로 손상을 감지하거나 또는 모드 형상 간의 유사성에 관한 MAC(Modal Assurance Criterion)값을 기초로 손상을 감지할 수 있다.In an embodiment, the health monitoring unit 250 may detect damage based on a change in natural frequency and damping ratio or may detect damage based on a Modal Assurance Criterion (MAC) value related to similarity between mode shapes.

제어부(270)는 구조물 건전성 모니터링 장치(130)의 전체적인 동작을 제어하고, 구조물 이미지 획득부(210), 동특성 산출부(230) 및 건전성 모니터링부(250) 간의 제어 흐름 또는 데이터 흐름을 관리할 수 있다.The control unit 270 controls the overall operation of the structure health monitoring device 130 , and manages the control flow or data flow between the structure image acquisition unit 210 , the dynamic characteristic calculation unit 230 , and the soundness monitoring unit 250 . have.

도 3은 본 발명에 따른 DIC 기반의 구조물 건전성 모니터링 과정을 설명하는 순서도이다.3 is a flowchart illustrating a DIC-based structure health monitoring process according to the present invention.

도 3을 참조하면, 구조물 건전성 모니터링 장치(130)는 구조물 이미지 획득부(210)를 통해 특정 구조물에 대해 외부 자극을 제공하면서 외부 자극의 제공 전후 각각의 시점에서 특정 구조물에 대한 이미지를 획득할 수 있다(단계 S310). 구조물 건전성 모니터링 장치(130)는 동특성 산출부(230)를 통해 이미지를 기초로 특정 구조물에 관한 고유 주파수(natural frequency), 감쇠비(damping ratio) 및 모드 형상(mode shape)을 포함하는 동특성을 산출할 수 있다(단계 S330). 구조물 건전성 모니터링 장치(130)는 건전성 모니터링부(250)를 통해 동특성의 변화를 검출하여 특정 구조물에 대한 손상을 감지할 수 있다(단계 S350).Referring to FIG. 3 , the structure health monitoring apparatus 130 may obtain an image of a specific structure at each time point before and after the provision of the external stimulus while providing an external stimulus to the specific structure through the structure image acquisition unit 210 . There is (step S310). The structure health monitoring apparatus 130 calculates dynamic characteristics including a natural frequency, a damping ratio, and a mode shape for a specific structure based on the image through the dynamic characteristic calculation unit 230 . It can be (step S330). The structure health monitoring apparatus 130 may detect damage to a specific structure by detecting a change in dynamic characteristics through the health monitoring unit 250 (step S350).

이하 도 4 내지 11을 참조하여, 본 발명에 따른 DIC 기반의 구조물 건전성 모니터링 방법에 관하여 보다 자세히 설명한다.Hereinafter, a DIC-based structure health monitoring method according to the present invention will be described in more detail with reference to FIGS. 4 to 11 .

3. 재료 및 방법(Material and method)3. Material and method

3.1 재료 준비(Material preparation)3.1 Material preparation

실험에 사용된 금속 TPS 패널은 전면 플레이트용 Inconel 625, 후면 구조용 티타늄 Ti-6Al-4V 합금, 스테인리스 스틸 S304로 만든 볼트 조인트(bolted joint), 스페이서(spacer) 및 와셔(washer), 열 섬유 절연 물질(thermal fibrous insulation material)로 구성될 수 있다. TPS 패널의 공칭 치수(nominal dimensions)는 170*170*29.54 mm3이다. 4개의 모서리에 돌출부가 있는 전면 플레이트를 전면 하중 전달 플레이트(front load-carrying plate)라 한다. 이 전면 하중 전달 플레이트의 크기는 240*240 mm2이다. 돌출부는 인접한 TPS 패널 사이에 겹치는 영역을 만들어 열풍의 유입을 막을 수 있다. 다음의 표 1은 TPS 패널에 있는 구성 요소의 크기와 무게를 나타낸다.The metal TPS panel used in the experiment was made of Inconel 625 for the front plate, titanium Ti-6Al-4V alloy for the back structure, bolted joints made of stainless steel S304, spacers and washers, and thermal fiber insulation material. (thermal fibrous insulation material). The nominal dimensions of the TPS panel are 170*170*29.54 mm 3 . The front plate with projections on the four corners is called the front load-carrying plate. The size of this front load transfer plate is 240*240 mm 2 . The protrusion can create an overlapping area between adjacent TPS panels to prevent the ingress of hot air. Table 1 below shows the size and weight of the components in the TPS panel.

ComponentsComponents Load-carrying plateLoad-carrying plate Back plateback plate Fibrous insulation layerFiber insulation layer Fully-assembled TPS panelFully-assembled TPS panel Size (mm)Size (mm) 240*240240*240 170*170170*170 170*170170*170 Weight (g)Weight (g) 12291229 137137 7272 15471547

이 연구에서는 단일 하중 전달 플레이트(Inconel plate), 열 섬유 절연 물질이 없는 금속 TPS 패널 및 완전 조립된 금속 TPS 패널의 테스트를 포함하는 세 가지 실험 데이터 사례를 수집한다. 첫째, 단일 하중 전달 플레이트(single load-carrying plate)는 해당 플레이트가 TPS 패널의 무게에서 지배적인 TPS 패널의 가장 중요한 구성요소 중 하나에 해당하기 때문에 테스트 대상으로 결정되었다. 즉, 해당 플레이트의 동특성과 TPS 패널의 동특성들 간의 관계를 조사한다. 두 번째 경우는 TPS 패널의 골격이라고 하는 섬유질 절연 물질이 없는 조립된 TPS 패널에 대한 것이다. 이것은 섬유질 절연 물질(비 구조 질량)을 추가하지 않고 얼마나 많은 감쇠가 포함되었는지를 보여주기 위한 것이다. 세 번째 경우는 완전 조립된 TPS 패널의 경우 4개의 테스트 서브 케이스로 나뉘어 특정 볼트 조인트의 건강한 조건과 손상 조건에서 TPS 패널의 동특성을 비교한다.In this study, we collect three experimental data cases including testing of a single load-carrying plate (Inconel plate), a metal TPS panel without thermal fiber insulation material, and a fully assembled metal TPS panel. First, a single load-carrying plate was determined to be tested as it corresponds to one of the most important components of a TPS panel, which dominates the weight of the TPS panel. That is, the relationship between the dynamic characteristics of the corresponding plate and the dynamic characteristics of the TPS panel is investigated. The second case is for an assembled TPS panel without a fibrous insulating material called the backbone of the TPS panel. This is to show how much damping is included without adding fibrous insulating material (non-structural mass). In the third case, in the case of a fully assembled TPS panel, it is divided into four test sub-cases to compare the dynamic characteristics of the TPS panel under healthy and damaged conditions of a specific bolted joint.

시험 TPS 패널의 사진이 도 5의 그림(a)에 도시되어 있다. 건강한 상태를 만들기 위해 그림 (b)와 같이 볼트 조인트의 토크 값이 4Nm인 토크 렌치(wrench)를 사용할 수 있다. TPS 패널에 사용된 볼트 타입은 6.8 등급의 M5이며 4.56Nm 미만의 토크 값으로 조이는 것이 바람직할 수 있다. 그림 (c)와 같이 볼트 조인트를 풀어 손상 상태를 만들 수 있다. 볼트 조인트의 세 가지 손상 상태는 코너(corner) 1에서 느슨한(loosened) 볼트, 코너 1 및 3에서 느슨한 볼트, 그리고 코너 1 및 4에서 느슨한 볼트로 정의될 수 있다. 실험 사례의 세부 사항은 다음의 표 2와 같이 결정될 수 있다.A photograph of the test TPS panel is shown in Fig. 5 (a). To create a healthy state, you can use a torque wrench with a torque value of 4Nm for the bolted joint as shown in Figure (b). The bolt type used for the TPS panel is M5 grade 6.8, and it may be desirable to tighten with a torque value of less than 4.56 Nm. Damage can be created by loosening the bolted joint as shown in Figure (c). The three damage states of bolted joints can be defined as loose bolts at corner 1, loose bolts at corners 1 and 3, and loose bolts at corners 1 and 4. Details of the experimental case may be determined as shown in Table 2 below.

CaseCase Load-carrying plateLoad-carrying plate Assembled TPS panel without fibrous insulation materialAssembled TPS panel without fibrous insulation material Assembled TPS panel with fibrous insultation materialAssembled TPS panel with fibrous insultation material StateState Single platesingle plate Healthy conditionhealthy condition Healthy conditionhealthy condition Damage at specific corners(#)Damage at specific corners(#) #1#One #1 and #3#1 and #3 #1 and #4#1 and #4

3.2 실험 설정(Experimental setup)3.2 Experimental setup

도 6은 고속 3DPT(3-Dimensional Point Tracking) 방법과 가속도계를 사용한 로빙(roving) 방법을 사용한 동적 테스트의 실험 설정을 나타낸다. 해상도가 1024*1024 픽셀이고 초점 거리가 50mm인 두 대의 고속 카메라를 사용하여 TPS 패널의 진동을 포착할 수 있다. 이 측정에서 프레임 속도는 초당 3000 프레임으로 선택되고 셔터 속도는 1/6000 초로 설정되고 조리개 크기는 f/11로 선택될 수 있다. 부착된 타겟에 의해 형성된 전체 형상이 시험 구조물의 형상을 나타낼 수 있는 방식으로 광학 타겟이 시험 구조물의 전면에 부착될 수 있다. 수평 수준을 보장하기 위해 2개의 고속 카메라가 기포 수준기(spirit level)를 내장하고 있는 삼각대 스탠드에 설치될 수 있다. 3DPT 방법으로 측정을 시작하기 전 단계에서 두 카메라 사이의 거리와 각도를 식별하기 위해 카메라 시스템을 보정할 수 있다. 보정 편차는 0.022 픽셀로 측정되며, 이는 295*300*300 mm3의 측정량에 대해 0.006 mm에 해당할 수 있다. 공간 해상도는 0.29mm/픽셀로 계산될 수 있다. 면외 측정의 감도는 약 1/30 픽셀이며 이 테스트에서 대략 10 μm에 해당할 수 있다. 노이즈 플로어(noise floor)는 정지 상태에서 100개의 이미지를 촬영하여 측정될 수 있다. 측정 시스템의 노이즈를 대부분 10μm 미만으로 줄이기 위해 중간 필터를 적용할 수 있다.6 shows an experimental setup of a dynamic test using a high-speed 3-dimensional point tracking (3DPT) method and a roving method using an accelerometer. Two high-speed cameras with a resolution of 1024*1024 pixels and a focal length of 50mm can capture the vibrations of the TPS panel. In this measurement, the frame rate can be chosen at 3000 frames per second, the shutter speed set at 1/6000 second, and the aperture size selected at f/11. An optical target may be attached to the front surface of the test structure in such a way that the overall shape formed by the attached target may represent the shape of the test structure. Two high-speed cameras can be installed on a tripod stand with a built-in spirit level to ensure leveling. The 3DPT method allows the camera system to be calibrated to identify the distance and angle between the two cameras in the step before starting the measurement. The calibration deviation is measured as 0.022 pixels, which may correspond to 0.006 mm for a measurand of 295*300*300 mm 3 . The spatial resolution can be calculated as 0.29 mm/pixel. The sensitivity of the out-of-plane measurement is about 1/30 pixels, which in this test could correspond to about 10 µm. The noise floor can be measured by taking 100 images in a stationary state. An intermediate filter can be applied to reduce most noise in the measurement system to less than 10 μm.

카메라 시스템은 광학 타겟이 부착된 시험 구조물의 전면을 향하도록 배치될 수 있다. 자유 경계 조건을 만들기 위해 두 개의 미세한 나일론 와이어를 사용하여 시험 구조물을 수직으로 매달 수 있다. 도 6과 같이 충격 망치(impact hammer)가 광전 센서의 광 송신기를 통과할 때 카메라를 트리거하기 위한 전기 신호가 전송되도록 시험 구조물 바로 뒤에 광전 센서가 배치될 수 있다. 임팩트 지점은 도 6과 같이 전면 하중지지 플레이트의 돌출 영역에서 선택될 수 있다. 충격 지점이 구조물 (티타늄 플레이트)의 뒷면에 있는 경우, TPS 구조물의 섬유질 절연 물질은 충격 에너지를 흡수하여 시험 구조물이 잘 가진되지 않을 수 있다. 이 때, 카메라는 시험 구조물의 이미지를 캡처한다. 여기에는 충돌 전의 여러 이미지와 충격 중 수많은 이미지가 포함될 수 있다. 그런 다음 캡처된 이미지를 DIC 기반 ARAMIS® 소프트웨어로 처리하여 면외 변형을 획득할 수 있다. 이어서, 3DPT 방법으로부터 측정된 변형을 시간 도메인에서 주파수 도메인으로 전달하여 시험 구조의 ODS FRF 함수를 획득할 수 있다. 스펙트럼 평균화 기술(spectrum averaging technique)과 Savitzky-Golay 스무딩(smoothing) 방법을 사용하여 신호의 노이즈를 줄일 수 있다. 이 연구에서는 1mm 변형의 기준 응답이 사용될 수 있다.The camera system may be positioned to face the front of the test structure to which the optical target is attached. The test structure can be suspended vertically using two fine nylon wires to create a free boundary condition. As shown in FIG. 6 , a photoelectric sensor may be disposed immediately behind the test structure so that an electrical signal for triggering the camera is transmitted when an impact hammer passes through the optical transmitter of the photoelectric sensor. The impact point may be selected in the protruding area of the front load bearing plate as shown in FIG. 6 . If the impact point is on the back side of the structure (titanium plate), the fibrous insulating material of the TPS structure may absorb the impact energy and the test structure may not be well excitation. At this time, the camera captures an image of the test structure. This can include several images before impact and many images during impact. The captured image can then be processed with DIC-based ARAMIS® software to acquire out-of-plane deformation. Then, the measured strain from the 3DPT method can be transferred from the time domain to the frequency domain to obtain the ODS FRF function of the test structure. Signal noise can be reduced by using the spectrum averaging technique and the Savitzky-Golay smoothing method. A reference response of 1 mm strain can be used in this study.

동시에 가속도계를 사용하여 시험 구조물의 응답을 측정할 수 있다. 로빙 임팩트 해머 방법을 사용하여 시험 구조물의 사전 정의된 지점에서 FRF를 획득할 수 있다. 가속도계는 모퉁이 근처의 고정 지점에 부착되었으며 충격 해머를 사용하여 표시된 지점에서 TPS 패널을 자극하여 모드 형상을 정의한다. 하중 전달 플레이트와 후면 구조물 (티타늄)에는 각각 36 점과 25 점을 사용할 수 있다. At the same time, an accelerometer can be used to measure the response of the test structure. The roving impact hammer method can be used to acquire the FRF at predefined points on the test structure. The accelerometer was attached to a fixed point near the corner, and an impact hammer was used to stimulate the TPS panel at the marked point to define the modal shape. For the load transfer plate and the rear structure (titanium), 36 and 25 points, respectively, are available.

도 7은 시험 구조물에서 표시된 지점의 회로도와 번호 체계를 나타낸다. 도 7의 그림 (a)는 하중 전달 플레이트이고, 그림 (b)는 하중 전달 플레이트에 표시된 36 점의 번호 체계이고, 그림 (c)는 금속 TPS 패널의 전면 하중 전달 플레이트와 후면 구조물이고, 그림 (d)는 TPS 구조물에 표시된 61 점의 번호 체계이다. 가속도계와 충격 망치의 충격력 모두의 신호는 B&K PulseTM 및 ME'scopeVESTM 소프트웨어에서 처리될 수 있다. 각 영향 지점과 고정 응답 지점 사이의 FRF는 한 번에 하나씩 계산될 수 있다. 결과적으로, 61 번의 가격으로 FRF 매트릭스가 완성될 수 있다.7 shows a circuit diagram and numbering system of marked points on the test structure. Figure 7 (a) is a load transfer plate, Figure (b) is the 36-point number system marked on the load transfer plate, Figure (c) is the front load transfer plate and the rear structure of the metal TPS panel, and the figure ( d) is the numbering system of 61 points marked on the TPS structure. Signals from both the accelerometer and the impact force of the impact hammer can be processed in the B&K Pulse TM and ME'scopeVES TM software. The FRF between each point of influence and the fixed response point can be calculated one at a time. As a result, the FRF matrix can be completed for the price of 61.

실험적 모달 분석 (EMA) 이론에서, 시험 구조의 모달 파라미터, 고유 주파수, 감쇠비 및 모드 형태는 FRF(Frequency Response Function)로부터 획득할 수 있으며, 이는 입력에 대한 출력의 복합 비로 정의된다. 현재 하드웨어의 한계로 인해 충격 해머의 입력 신호와 고속 카메라의 출력 응답은 동시에 샘플링되지 않을 수 있다. 따라서, FRF를 얻을 수 없고 대신 OMA가 사용될 수 있다. 이 방법은 출력 응답을 사용하여 시험 구조물의 모달 파라미터를 특성화할 수 있다. 충격력은 가우스 잡음인 것으로 가정하고 시험 구조물의 측정된 응답을 사용하여 ODS FRF를 계산하며 ODS(Operational Deflection Shape)를 구성한다. 이 새로운 유형의 측정을 ODS FRF 측정 또는 투과율 측정이라고 정의한다. 공진 주파수 또는 그 근처의 ODS가 그 공진 주파수에서 대응하는 단일 모드 형태에 의해 지배된다면, ODS는 모드 형태에 근접할 수 있다. 따라서, 이 연구에서는 ODS FRF 측정의 ODS를 사용하여 로빙 해머 방법의 모드 형상과 검증의 수치 시뮬레이션 방법의 모드 형상과 비교한다.In empirical modal analysis (EMA) theory, the modal parameters, natural frequencies, damping ratios and mode shapes of the test structure can be obtained from the Frequency Response Function (FRF), which is defined as the complex ratio of the output to the input. Due to current hardware limitations, the input signal of the impact hammer and the output response of the high-speed camera may not be sampled simultaneously. Therefore, FRF cannot be obtained and OMA can be used instead. This method can use the output response to characterize the modal parameters of the test structure. The impact force is assumed to be Gaussian noise, and the ODS FRF is calculated using the measured response of the test structure, and an Operational Deflection Shape (ODS) is constructed. This new type of measurement is defined as ODS FRF measurement or transmittance measurement. If the ODS at or near the resonant frequency is dominated by the corresponding single-mode shape at that resonant frequency, then the ODS can approximate the mode shape. Therefore, in this study, the mode shape of the roving hammer method using ODS of ODS FRF measurement and the mode shape of the numerical simulation method of verification are compared.

3.3 유한 요소 분석(Finite element analysis)3.3 Finite element analysis

하중 전달 플레이트의 동특성을 갖는 OMA 기반 3DPT 방법을 사용하여 제안된 시험 구조물에 대한 측정 방법을 검증할 수 있으며 하중 전달 플레이트의 유한 요소 분석도 수행할 수 있다. 또한, 가속도계 측정의 동특성 결과도 획득할 수 있다. 측정 결과들(3DPT와 로빙 해머)과 유한 요소 분석 사이의 고유 주파수와 모드 형상의 비교는 도 8 및 9에 나타난다.Using the OMA-based 3DPT method with the dynamic properties of the load-carrying plate, the measurement method for the proposed test structure can be verified, and a finite element analysis of the load-carrying plate can also be performed. In addition, the dynamic characteristic result of the accelerometer measurement can also be obtained. Comparison of natural frequency and mode shape between measurement results (3DPT and roving hammer) and finite element analysis is shown in FIGS. 8 and 9 .

도 8의 그림 (a)는 3DPT 방법에 의해 측정된 시간 영역에서의 하중 전달 플레이트의 변형 응답을 도시한다. 하중 전달 플레이트의 측정된 응답에 대해 고속 푸리에 변환 (FFT)이 수행될 수 있다. 도 8의 그림 (b)는 단일 FFT의 ODS FRF 결과, 20 회 측정의 평균 결과 및 3DPT에 의해 측정된 평균 결과의 평활화 곡선 (Savitzky-Golay smoothing method)을 보여준다. 3DPT 방법을 사용하는 하중 전달 플레이트의 ODS FRF에는 4개의 피크(peak)가 존재할 수 있다. 도 8의 그림 (c)는 또한 로빙 해머 방법(roving hammer method)에 의해 측정된 하중 전달 플레이트의 FRF 곡선 상에 존재하는 유사한 피크 주파수의 값을 도시한다. 3DPT 방법과 로빙 해머 방법 간에 측정된 주파수가 일치함을 확인할 수 있다. 그런 다음 광학 타겟의 측정된 응답을 사용하여 내부 파이썬 코드(in-house Python code)로 하중 전달 플레이트의 ODS를 획득할 수 있다. ODS는 충격력에 의해 스케일링 되지 않기 때문에, 도 9의 그림 (a)에 도시된 바와 같이 스케일링 되지 않은 모드 형상 또는 작동 형상으로 정의될 수 있다. 한편, 도 9의 그림 (b)는 로빙 해머 방법에 의해 측정된 고유 주파수에 대응되는 모드 형상이고, 그림 (c)는 FEM 방법에 의해 획득된 모달 파라미터들이다. ARAMIS 소프트웨어에 정의된 등고선 색상은 -1에서 1까지의 스케일을 따르며 ME'scope 소프트웨어 및 유한 요소 분석에서는 0에서 1까지의 절대 스케일이다. 전체 결과에서 3DPT 방법의 고유 주파수 및 모드 형상은 로빙 해머 방법 및 유한 요소 분석의 모양과 유사할 수 있다. 따라서, 현재의 3DPT 방법은 허용 가능한 정확도를 달성하며 이 연구 전반에 걸쳐 TPS 패널의 특성을 조사하는데 적합할 수 있다.Fig. 8(a) shows the deformation response of the load transfer plate in the time domain measured by the 3DPT method. A fast Fourier transform (FFT) may be performed on the measured response of the load transfer plate. Figure 8 (b) shows the smoothing curve (Savitzky-Golay smoothing method) of the ODS FRF result of a single FFT, the average result of 20 measurements, and the average result measured by 3DPT. There may be four peaks in the ODS FRF of the load transfer plate using the 3DPT method. Figure 8 (c) also shows the values of similar peak frequencies present on the FRF curve of the load transfer plate measured by the roving hammer method. It can be seen that the measured frequencies are consistent between the 3DPT method and the roving hammer method. The measured response of the optical target can then be used to obtain the ODS of the load-carrying plate with in-house Python code. Since the ODS is not scaled by the impact force, it can be defined as an unscaled mode shape or a working shape as shown in Fig. 9 (a). Meanwhile, Figure 9 (b) shows the mode shape corresponding to the natural frequency measured by the roving hammer method, and Figure (c) shows the modal parameters obtained by the FEM method. Contour colors defined in ARAMIS software follow a scale of -1 to 1, and in ME'scope software and finite element analysis it is an absolute scale of 0 to 1. In the overall result, the natural frequency and mode shape of the 3DPT method can be similar to that of the roving hammer method and the finite element analysis. Therefore, the current 3DPT method achieves acceptable accuracy and may be suitable for investigating the properties of TPS panels throughout this study.

3.4 위상 기반 모션 배율(Phase-based motion magnification)3.4 Phase-based motion magnification

3DPT 방법과 같은 변위 기반 측정 방법의 단점은 적은 양의 에너지만으로 구조물이 가진될 때 구조물이 3DPT 방법의 로우(raw) 데이터로는 인식할 수 없는 작은 변형을 경험할 수 있다. 이것은 고주파에서 작은 크기의 변위로 설명될 수 있으므로 특정 모드에 해당하는 고유 주파수를 놓치는 원인에 해당할 수 있다. 이 연구에서 많은 충격 시험을 한 후, 최적의 충격 지점을 도 6과 같이 전면 하중 전달 플레이트 (Inconel)의 후면에 있는 돌출 영역의 지점으로 결정할 수 있다. 가진 에너지(excitation energy)의 양이 전체 구조를 구동하기에 충분하지 않기 때문에 특정 모드는 크게 가진되지 않을 수 있으며 원래 ODS FRF 곡선에서 명확하게 보이지 않을 수 있다. 이 측정에서 제안된 금속 TPS 패널과 같은 복잡한 형상의 경우 OMA 실험실 테스트에서 국소 가진 포인트로 인해 OMA 테스트에서 모든 모드를 추출하는 것이 어려울 수 있다. 따라서, 잘 가진되지 않은 모드를 찾는 방법이 필요하다.A disadvantage of the displacement-based measurement method such as the 3DPT method is that when the structure is excited with only a small amount of energy, the structure may experience a small deformation that cannot be recognized by the raw data of the 3DPT method. This can be explained by a small displacement at high frequencies, which may be the cause of missing the natural frequency corresponding to a specific mode. After many impact tests in this study, the optimal impact point can be determined as the point of the protruding area on the rear side of the front load transfer plate (Inconel) as shown in FIG. 6 . Since the amount of excitation energy is not sufficient to drive the entire structure, certain modes may not be significantly excitation and may not be clearly visible in the original ODS FRF curve. For complex geometries such as the metal TPS panel proposed in this measurement, it may be difficult to extract all modes from the OMA test due to local excitation points in the OMA laboratory test. Therefore, there is a need for a way to find modes that are not well excitation.

3DPT 및 위상 기반 모션 확대 방법을 사용한 진동 측정에 대한 연구는 구조물의 모달 파라미터 및 구조적 역학을 식별하기 위해 널리 사용된다. 본 발명에서는 위에서 언급한 조건에서 금속 TPS 패널의 동특성 식별을 위한 방법으로 3DPT 방법을 사용하기 위하여 위상 기반 모션 확대를 사용함으로써 일련의 캡처된 이미지에서 신호 대 잡음비가 개선될 수 있다. ODS FRF 곡선에서 불명확한 피크를 갖는 캡처된 이미지의 움직임은 특정 배율에 의해 확대된다.Studies on vibration measurements using 3DPT and phase-based motion amplification methods are widely used to identify the modal parameters and structural dynamics of structures. In the present invention, the signal-to-noise ratio in a series of captured images can be improved by using phase-based motion amplification to use the 3DPT method as a method for dynamic characteristic identification of a metal TPS panel under the above-mentioned conditions. The motion of the captured image with indistinct peaks in the ODS FRF curve is magnified by a certain magnification.

본 발명은 건강한 완전 조립 TPS 패널의 사례 연구를 위해 위상 기반 모션 확대 기술을 사용할 수 있다. 즉, 주파수 영역의 특정 대역폭에 모션확대법이 적용된다. 이 알고리즘은 복잡한 조종 가능한 피라미드 필터를 사용하여 입력 신호를 로컬 공간 진폭 및 위상 신호로 분해할 수 있다. 이미지의 재구성 후, 확대된 주파수 대역에서 더 높은 진폭이 달성된다. 확대 매개 변수의 요구 사항은 다음과 같다: 프레임 속도, 확대 대역폭 및 확대 계수. 도 10은 TPS 패널의 확대 변위를 얻기 위해 모션 확대와 3DPT 방법의 조합에 대한 개요를 나타낸다.The present invention can use a phase-based motion amplification technique for a case study of a healthy fully assembled TPS panel. That is, the motion expansion method is applied to a specific bandwidth in the frequency domain. The algorithm can decompose the input signal into local spatial amplitude and phase signals using a complex steerable pyramid filter. After reconstruction of the image, higher amplitudes are achieved in the broadened frequency band. The requirements of the magnification parameters are: frame rate, magnification bandwidth and magnification factor. 10 shows an overview of the combination of motion magnification and 3DPT method to obtain magnified displacement of the TPS panel.

3.5 손상 감지 방법(Damage detection method)3.5 Damage detection method

TPS 패널의 손상 상태를 평가하기 위해 두 가지 방법을 사용할 수 있다. 첫 번째 방법은 고유 진동수 및 감쇠 비율의 변화에 기초한 것이다. 다른 방법은 MAC을 기반으로 모드 형상을 평가한다. 이 연구에서 TPS 패널의 많은 손상 상태 중에서 볼트 조인트 풀림이 차량의 안전에 중요할 수 있다. 느슨한 볼트 조인트는 대부분의 테스트 사례에서 금속 TPS 패널의 주파수, 감쇠비 및 모드 형상을 크게 변경시킬 수 있다. 여기에서, 이 손상 문제에 중점을 두어 손상 감지 방법의 적용 가능성을 조사한다.Two methods can be used to evaluate the damage status of TPS panels. The first method is based on changes in natural frequency and damping ratio. Another method evaluates the mode shape based on the MAC. Among the many damage states of TPS panels in this study, bolted joint loosening could be important for vehicle safety. Loose bolted joints can significantly change the frequency, damping ratio, and mode shape of the metal TPS panel in most test cases. Here, we investigate the applicability of the damage detection method by focusing on this damage problem.

획득 장치의 노이즈 및 환경 조건으로 인해 측정 불확실성이 있기 때문에 손상 상태의 임계값을 정의하는 것은 매우 중요하고 어려울 수 있다. 이 측정 불확실성으로 인해 주파수, 감쇠비 및 모드 형상이 약간 변경된다. 따라서, 노이즈를 최소화하려면 적절한 실험 설정이 필요할 수 있다. 우리는 카메라 시스템이 잘 보정되었고 광학 대상의 대비가 양호하다고 가정한다. 대부분의 노이즈 플로어가 원하는 정확도에 도달할 때까지 세 가지 요소, 즉 조명, 카메라 위치 및 광학 대상이 조정될 수 있다. 환경 주변의 온도는 또한 실온에서 유지될 수 있다. 최대 노이즈 플로어는 10μm이고 TPS 패널의 최대 변형 응답은 약 300μm이다. 이는 3.3%의 측정 불확실성을 나타낸다. 이 연구에서 우리는 손상 상태에 대한 기준이 건강 상태와 손상 상태 사이의 3.3% 차이보다 클 것을 제안한다.Defining the threshold of damage state can be very important and difficult because there is measurement uncertainty due to noise and environmental conditions of the acquisition device. This measurement uncertainty causes slight changes in frequency, damping ratio, and mode shape. Therefore, proper experimental setup may be required to minimize noise. We assume that the camera system is well calibrated and that the contrast of the optical object is good. Three factors can be adjusted until most of the noise floor achieves the desired accuracy: lighting, camera position, and optical target. The temperature around the environment may also be maintained at room temperature. The maximum noise floor is 10 μm and the maximum strain response of the TPS panel is about 300 μm. This represents a measurement uncertainty of 3.3%. In this study, we propose that the criterion for impaired status be greater than the 3.3% difference between healthy and impaired status.

MAC은 모드 형태의 추정치 사이의 일관성을 측정할 수 있다. 이 방법은 정상 사례와 손상된 사례 사이의 모드 형상 벡터를 비교하고 각 모드에 대한 MAC 값을 제공할 수 있다. 두 모드 형상이 동일하면 MAC 값은 1이 되며, 완전히 다른 경우 0이 될 수 있다. MAC의 수학적 표현은 다음의 수학식 1과 같이 표현된다.The MAC can measure the consistency between estimates of mode types. This method can compare mode shape vectors between normal and damaged cases and provide MAC values for each mode. If the two mode shapes are the same, the MAC value becomes 1, and when they are completely different, the MAC value may be 0. The mathematical expression of MAC is expressed as Equation 1 below.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112020049430264-pat00001
Figure 112020049430264-pat00001

여기에서, ψur는 손상되지 않은 모드 형태이고, ψdr은 손상된 모드 형태이고, 아래첨자 r은 r번째 모드를 나타내고, 위첨자 T는 벡터의 전치를 나타낸다. MAC의 손상 상태에 3.3% 차이의 기준을 적용할 수 있다.Here, ψ ur is the intact modal form, ψ dr is the damaged modal form, the subscript r denotes the r-th mode, and the superscript T denotes the transposition of the vector. A criterion of 3.3% difference can be applied to the damaged state of MAC.

도 11은 DIC와 MAC 방법의 조합을 사용하여 제안된 손상 감지 방법의 흐름도를 나타낸다. 사례 연구에서 사전 정의된 DOF (광학 대상)의 변형 응답을 DIC 기반 ARAMIS® 소프트웨어에서 출력한다. MATLAB 프로그램에서 FFT 알고리즘을 사용하여 변형 응답에 대한 스펙트럼 데이터를 계산할 수 있다. 고유 주파수는 ODS FRF 곡선의 피크에 해당하고 감쇠비는 반전력 방법(half-power method)으로 계산될 수 있다. ODS FRF의 허수부(imaginary part)를 조사하여 모달 벡터를 계산할 수 있다. r번째 모드의 모달 벡터는 r번째 모드의 미리 정의된 DOF 중에서 최대값으로 스케일링 될 수 있다. 이어서, 두 사례 연구의 일관성을 평가하기 위해 상기의 수학식 1에서 MAC 매트릭스를 획득할 수 있다. 그런 다음 고유 주파수, 감쇠비 및 모드 형상의 변화를 기반으로 손상 감지를 식별한다.11 shows a flowchart of a proposed damage detection method using a combination of DIC and MAC methods. The deformation response of the predefined DOF (optical object) in the case study is output from the DIC-based ARAMIS® software. You can use the FFT algorithm in a MATLAB program to compute spectral data for the strain response. The natural frequency corresponds to the peak of the ODS FRF curve, and the damping ratio can be calculated by a half-power method. The modal vector can be calculated by examining the imaginary part of the ODS FRF. The modal vector of the r-th mode may be scaled to a maximum value among predefined DOFs of the r-th mode. Then, in order to evaluate the consistency of the two case studies, the MAC matrix may be obtained from Equation 1 above. It then identifies damage detection based on changes in natural frequency, damping ratio, and mode shape.

4. 결과 및 토론(Results and discussion)4. Results and discussion

4.1 완전 조립된 TPS 패널의 동적 특성(Dynamic characteristics of a healthy fully-assembled TPS panel)4.1 Dynamic characteristics of a healthy fully-assembled TPS panel

이 섹션에서는 로빙 해머 방법으로 측정한 건강한 완전 조립 TPS 패널의 동특성을 설명한다. 완전 조립된 TPS 패널의 전면에 있는 특정 지점에서 측정 응답의 FRF 곡선을 살펴보면 FRF 곡선의 피크가 명확하게 식별될 수 있다. 해당 고유 주파수는 각각 192Hz, 330Hz, 361Hz 및 464Hz이다.This section describes the dynamic properties of healthy fully assembled TPS panels as measured by the roving hammer method. By looking at the FRF curve of the measurement response at a specific point on the front of the fully assembled TPS panel, the peak of the FRF curve can be clearly identified. The corresponding natural frequencies are 192 Hz, 330 Hz, 361 Hz and 464 Hz, respectively.

우리는 건강한 완전 조립 TPS 패널의 처음 네 가지 모드 형상을 구성하기 위해 하중 전달 플레이트와 후면 구조물 (티타늄) 모두에 61개의 표시된 지점의 FRF 데이터를 사용할 수 있다. ME's ScopeTM 소프트웨어는 고유 주파수에 해당하는 모드 형태를 제공한다. 자유 조건 하에서 제안된 금속 TPS 패널로부터 얻은 모드 형상은 샌드위치 패널의 자유 진동으로부터의 형태와 일치할 수 있다.We can use the FRF data of the 61 marked points on both the load transfer plate and the back structure (titanium) to construct the first four modal shapes of a healthy fully assembled TPS panel. ME's Scope TM software provides mode types corresponding to natural frequencies. The modal shape obtained from the proposed metal TPS panel under free conditions can match the shape from free vibration of the sandwich panel.

TPS 패널의 제1 모드는 비틀림 모드(torsional mode)이고 제2 및 제3 모드는 굽힘 모드(bending mode)이다. 제4 모드는 굽힘과 비틀림이 결합된 굽힘-비틀림 모드(bending-torsion mode)이다.A first mode of the TPS panel is a torsional mode, and the second and third modes are a bending mode. The fourth mode is a bending-torsion mode in which bending and torsion are combined.

다음으로 우리는 로빙 응답과 3DPT 법을 이용하여 건강한 완전 조립 TPS 패널의 동특성을 측정한다.Next, we measure the dynamic properties of healthy fully assembled TPS panels using the roving response and 3DPT method.

진동 시험의 일련의 캡처된 이미지는 전술한 바와 같이 위상 기반 확대 방법을 사용하여 움직임을 확대할 수 있다. 프레임 속도는 초당 3000 프레임이고, 배율은 3배이며, 주파수 대역은 355Hz에서 365Hz이다. 그런 다음 확대된 변위를 얻기 위해 DIC 알고리즘으로 확대된 이미지를 처리할 수 있다. 모션 확대 후의 새로운 스펙트럼 데이터의 결과에서 신호 대 잡음비가 크게 증가한다. 362Hz에서의 피크는 새로운 스펙트럼 데이터에서 명확하게 나타날 수 있다. 3DPT 방법과 모션 확대에서 얻은 고유 주파수와 해당 ODS는 가속도계 측정 방법과 일치할 수 있다.A series of captured images of the vibration test can be magnified in motion using the phase-based magnification method as described above. The frame rate is 3000 frames per second, the multiplier is 3x, and the frequency band is 355Hz to 365Hz. The enlarged image can then be processed with the DIC algorithm to obtain the enlarged displacement. The signal-to-noise ratio increases significantly as a result of the new spectral data after motion amplification. The peak at 362 Hz can be clearly seen in the new spectral data. The natural frequencies and corresponding ODSs obtained from the 3DPT method and motion magnification can be consistent with the accelerometer measurement method.

3DPT 방법에서 블라인드 모드를 식별하기 위해 모션 확대를 사용했지만 빠른 테스트 및 손상 감지의 경우에는 필수가 아닐 수 있다. 제안된 TPS 패널의 두 가지 첫 번째 모드와 같은 주요 모드는 손상 상태를 감지하는데 사용될 수 있다. 고주파 모드에서 손상 상태에 대한 추가 조사를 위해서는 고유 모드를 식별하고 건강 상태와 손상 상태 사이의 MAC 값을 계산하는데 사용되는 작은 변위 응답을 확대하기 위해 위상 기반 확대가 필요할 수 있다.Although motion magnification was used to identify blind modes in the 3DPT method, it may not be essential for quick testing and damage detection. The two main modes such as the first two modes of the proposed TPS panel can be used to detect the damage condition. For further investigation of the damage state in high-frequency modes, phase-based magnification may be needed to magnify the small displacement response used to identify eigenmodes and compute MAC values between health and damage states.

섬유질 절연 물질을 건강한 완전 조립 TPS 패널로부터 제거하여 섬유질 절연 물질이 TPS 패널의 구조적 역학에 미치는 영향을 연구할 수 있다. 볼트 체결 시 4Nm의 토크 값을 사용한다. 분명하게도, 섬유질 절연 물질이 없는 골격 TPS 패널의 변형 이력은 섬유질 절연 물질의 감쇠 효과로 인해 섬유질 절연 물질이 있는 건강한 완전 조립 TPS 패널의 것보다 오래 지속될 수 있다. 이것은 제3 고유 모드(363Hz)에서 명확한 피크를 생성한다. 골격 TPS 패널의 고유 진동수는 섬유질 절연 물질과 함께 TPS 패널로부터 상응하여 증가할 수 있다. 섬유질 절연 물질은 비 구조 질량(non-structural mass)으로 간주되기 때문에, 고유 진동수의 증가는 섬유 절연 물질이 없는 골격 TPS 패널의 질량 감소로 인한 것일 수 있다.By removing the fibrous insulating material from a healthy fully assembled TPS panel, it is possible to study the effect of the fibrous insulating material on the structural mechanics of the TPS panel. When tightening bolts, use a torque value of 4Nm. Obviously, the deformation history of the skeletal TPS panel without the fibrous insulating material can last longer than that of the healthy fully assembled TPS panel with the fibrous insulating material due to the damping effect of the fibrous insulating material. This produces a clear peak in the third eigenmode (363 Hz). The natural frequency of the skeletal TPS panel can be increased correspondingly from the TPS panel with a fibrous insulating material. Since the fibrous insulating material is considered a non-structural mass, the increase in natural frequency may be due to the reduced mass of the skeletal TPS panel without the fibrous insulating material.

4.2 손상 감지(Damage detection)4.2 Damage detection

일반적으로 손상된 TPS 패널의 고유 주파수는 정상 조립식 TPS 패널에서 변경될 수 있다. 구체적으로, 고유 주파수는 TPS 패널이 손상될 때 강성(rigidity)의 열화(degradation)로 인해 감소될 수 있다. 손상된 모서리의 수가 증가함에 따라 성능 저하가 증가할 수 있다. 코너 #1의 손상으로 인해 코너 #1의 손상이 발생한 TPS 패널은 다른 두 경우보다 강성이 더 높을 수 있다(두 코너의 손상). 이로 인해 TPS 패널의 고유 주파수가 높아져 단일 코너에서 손상이 발생할 수 있다. 두 코너 #1 및 #3의 손상(대각선의 볼트 체결부 2개)이 코너 #1 및 #4의 손상(수직선의 볼트 체결부 2개)에 비해 TPS 패널의 강성이 높음을 확인할 수 있다. 일반적인 손상 상태와 정상 상태 간의 백분율 차이는 3.3% 차이의 기준을 초과한다. 따라서, 고유 주파수의 변화를 사용하여 TPS 패널의 손상을 감지할 수 있다.In general, the natural frequency of a damaged TPS panel can be changed in a normal prefabricated TPS panel. Specifically, the natural frequency may be reduced due to degradation of rigidity when the TPS panel is damaged. Performance degradation can increase as the number of damaged edges increases. A TPS panel that suffered damage at corner #1 due to damage at corner #1 may have a higher stiffness than the other two cases (damage at both corners). This increases the natural frequency of the TPS panel, which can cause damage in a single corner. It can be seen that the damage of the two corners #1 and #3 (two diagonal bolted parts) has higher rigidity of the TPS panel compared to the damaged of corners #1 and #4 (two vertical bolted parts). The percentage difference between the normal damaged state and the normal state exceeds the criterion of a 3.3% difference. Therefore, it is possible to detect damage to the TPS panel using the change in natural frequency.

시험 구조물의 계산된 스펙트럼 곡선에 평활화 기술(smoothing technique)을 적용할 수 있다. 평활화 곡선(smoothing curve)을 계산된 스펙트럼 곡선과 함께 표시(plot)할 수 있다. 이러한 평활화 스펙트럼 곡선으로부터 모달 댐핑이 추정된다. 반전력 대역폭 방법(half-power bandwidth method)을 사용하여 감쇠비를 계산할 수 있다. 섬유 절연 물질의 효과는 각 테스트 케이스의 감쇠비를 고려하여 설명된다. 대역폭은 3dB 차단 주파수를 사용하여 계산될 수 있다. 감쇠비에서 알 수 있듯이 단일 하중 전달 플레이트는 가장 낮은 감쇠비를 가질 수 있다. 섬유질 절연 물질을 갖는 TPS 패널은 섬유질 절연 물질의 댐핑 능력으로 인해 섬유질 절연 물질이 없는 TPS보다 더 높은 감쇠비를 나타낼 수 있다.A smoothing technique may be applied to the calculated spectral curve of the test structure. A smoothing curve can be plotted together with the calculated spectral curve. Modal damping is estimated from this smoothed spectral curve. The damping ratio can be calculated using the half-power bandwidth method. The effect of the fiber insulation material is explained by considering the damping ratio of each test case. The bandwidth can be calculated using a 3 dB cutoff frequency. As can be seen from the damping ratio, a single load-carrying plate can have the lowest damping ratio. A TPS panel with a fibrous insulating material can exhibit a higher damping ratio than a TPS without a fibrous insulating material due to the damping ability of the fibrous insulating material.

손상된 케이스의 감쇠비는 건강한 완전 조립 TPS 패널의 감쇠비보다 높을 수 있으며, 이는 손상이 발생함(볼트 조인트가 느슨해짐)에 따라 절연 층의 두께가 증가(다공성 증가)하여 섬유질 절연 물질의 감쇠 용량이 높아졌기 때문이다. 단일 코너에서 손상된 TPS 패널의 감쇠비는 두 개의 손상된 코너에서 TPS 패널의 감쇠비보다 낮을 수 있다. 대각선(코너 #1 및 #3)을 따라 손상된 TPS 패널의 감쇠비는 수직선(코너 #1 및 #4)을 따라 손상된 TPS 패널의 감쇠비보다 낮을 수 있다. 대각선을 따른 손상은 여전히 섬유 절연 물질의 압축을 보장하는 한편 절연 층의 더 큰 팽창은 수직선을 따른 손상에서 발생했기 때문이다. 이러한 결과는 감쇠비의 변화가 TPS 패널의 손상 상태를 감지하는 데에도 사용될 수 있음을 나타낸다.The damping ratio of a damaged case may be higher than that of a healthy fully assembled TPS panel, which is due to the increase in the thickness of the insulating layer (increasing porosity) as damage occurs (the bolt joint loosens), resulting in a higher damping capacity of the fibrous insulating material. Because. The damping ratio of a damaged TPS panel in a single corner may be lower than that of a TPS panel in two damaged corners. The damping ratio of the damaged TPS panel along the diagonal (corners #1 and #3) may be lower than the damping ratio of the damaged TPS panel along the vertical (corner #1 and #4). This is because the damage along the diagonal still ensured compression of the fiber insulation material, while the greater expansion of the insulation layer occurred in the damage along the vertical line. These results indicate that the change in the damping ratio can also be used to detect the damage state of the TPS panel.

테스트 케이스의 ODS는 하중 전달 플레이트의 ODS와 명확하게 관련되어 있다. 섬유질 절연 물질이 있거나 없는 건강한 완전 조립된 TPS 패널의 ODS는 하중 전달 플레이트의 ODS와 거의 동일하다. 모든 조건에서 시험 TPS 패널의 첫 번째 ODS는 비틀림 모드이며, 이는 하중 전달 플레이트의 첫 번째 ODS와 동일할 수 있다.The ODS of the test case is clearly related to the ODS of the load transfer plate. The ODS of a healthy fully assembled TPS panel with and without fibrous insulating material is nearly identical to that of the load carrying plate. In all conditions, the first ODS of the test TPS panel is the torsional mode, which may be the same as the first ODS of the load-carrying plate.

시험 TPS 패널의 두 번째 ODS는 손상된 경우에 따라 다를 수 있다. 단일 코너(코너 #1)에 손상이 있는 TPS 패널은 비대칭 처짐 형상(asymmetrical deflection shape)을 나타내며, 이는 손상된 모서리에 가까운 가장자리에서 많이 편향된다. 대각선(코너 #1 및 #3)을 따라 볼트 조인트에 손상이 있었지만 이 경우 두 번째 ODS는 여전히 건강 상태에서 크게 변하지 않는다. 이것은 손상된 위치의 중심점에 대한 대칭 때문일 수 있다. 수직선(코너 #1 및 #3)을 따라 볼트 조인트에 손상을 가한 TPS 패널의 두 번째 ODS는 두 개의 모서리(코너 #1 및 #4 사이 및 코너 #1 및 #3 사이)와 수직 중심 축을 따라 중간 영역에서 가장 높은 편향을 나타낸다. 굽힘 ODS는 수직 중심 축에 대해 대칭이다.The second ODS of the test TPS panel may be different depending on the case of damage. A TPS panel with damage in a single corner (Corner #1) exhibits an asymmetrical deflection shape, which deflects heavily at the edge close to the damaged corner. There was damage to the bolted joints along the diagonal (corners #1 and #3), but the second ODS in this case still doesn't change much in health. This may be due to symmetry about the center point of the damaged location. The second ODS of the TPS panel with damage to the bolted joint along a vertical line (corners #1 and #3) has two edges (between corners #1 and #4 and between corners #1 and #3) and a middle along the vertical central axis. shows the highest bias in the region. The bending ODS is symmetrical about the vertical central axis.

시험 TPS 패널의 세 번째 ODS는 또한 각 손상된 케이스에 대해 다른 형상을 보일 수 있으며, 단일 코너에서 손상이 발생한 TPS 패널의 굽힘 형상은 건강한 케이스와 약간 다를 수 있다. 대각선을 따라 모서리(코너 #1 및 #3)는 손상으로 인해 대각선을 따라 구속 조건이 없기 때문에 대각선에 대칭인 굽힘 형상을 나타낸다. 수직선을 따라 두 모서리에 손상이 있는 TPS 패널(코너 #1과 #4)에서 수직선을 따라 구속되지 않은 구속 조건으로 인해 모서리 근처(코너 #1과 #4 사이)에서 가장 높은 처짐이 발견된다.The third ODS of the test TPS panel may also have a different shape for each damaged case, and the bending shape of the TPS panel with damage in a single corner may be slightly different from that of the healthy case. The edges along the diagonal (corners #1 and #3) exhibit a bend shape that is symmetrical to the diagonal because there is no constraint along the diagonal due to damage. The highest deflection is found near the edges (between corners #1 and #4) due to the unconstrained constraints along the vertical line in the TPS panels (corners #1 and #4) with damage to both corners along the vertical line.

계산된 MAC은 형상의 상관 관계에 대한 정보를 제공한다. 정상 TPS 패널의 처음 4개의 ODS의 계산된 MAC 값은 대각선 요소에서 1이고 다른 요소에서는 0.1보다 작다. 이는 MAC 계산이 정확함을 의미한다. 손상 상태는 0.96(3.3% 차이)의 기준으로 식별할 수 있다.The calculated MAC provides information about shape correlation. The calculated MAC values of the first four ODSs of the normal TPS panel are 1 in the diagonal element and less than 0.1 in the other elements. This means that the MAC calculation is correct. The damage state can be identified by a criterion of 0.96 (3.3% difference).

5. 결론(Conclusion)5. Conclusion

우리는 DIC와 MAC 방법의 조합을 사용하여 동특성과 손상 감지를 성공적으로 조사할 수 있다. 건강한 완전 조립 TPS 패널 또는 손상된 패널의 ODS는 금속 TPS 패널에서 하중 전달 플레이트의 주요 중량으로 인해 하중 전달 플레이트의 ODS와 관련이 있다. 제안된 ODS FRF는 시험 구조물의 고유 주파수, 감쇠비 및 ODS와 같은 모달 파라미터를 얻는 효과적인 측정 방법이다. DIC 방법의 변형인 3DPT는 복잡하고 큰 구조물의 동특성을 빠르고 정확하게 평가할 수 있는 방법을 제공할 수 있다.We can successfully investigate dynamics and damage detection using a combination of DIC and MAC methods. The ODS of a healthy fully assembled TPS panel or a damaged panel is related to the ODS of the load transfer plate due to the major weight of the load transfer plate in the metal TPS panel. The proposed ODS FRF is an effective measurement method to obtain modal parameters such as natural frequency, damping ratio and ODS of the test structure. 3DPT, a variant of the DIC method, can provide a method to quickly and accurately evaluate the dynamic properties of complex and large structures.

손상 탐지에서 특정 고유 모드의 주파수 변화 또는 특정 ODS의 변화는 고장의 징후일 수 있다. 부분적인 가진(localized excitation)은 OMA에서 발견되지 않은 모드를 초래할 수 있다. 테스트 모드의 손상 가능성을 감지하기 위해 고주파 모드에는 모션 확대를 사용해야 한다. 이 연구에서 얻은 ODS는 금속 TPS 패널에서 볼트 조인트의 풀림과 같이 보이지 않는 손상을 식별하는데 매우 유용할 수 있다. 그러나, 모든 구조 주파수 또는 ODS를 얻는 것이 빠른 검사를 위해 반드시 필요한 것은 아니다.A change in the frequency of a particular eigenmode or a change in a particular ODS in damage detection can be an indication of a failure. Localized excitation may result in modes not found in OMA. Motion magnification should be used for high frequency mode to detect possible damage in test mode. The ODS obtained in this study can be very useful in identifying invisible damage such as loosening of bolted joints in metal TPS panels. However, obtaining all the rescue frequencies or ODSs is not necessarily necessary for fast inspection.

사례 연구에서 감소된 MAC 값은 금속 TPS 패널의 손상 수준, 특히 손상된 모서리 수를 보여준다. DIC 방법과 MAC의 조합은 ODS를 평가하고 금속 TPS 패널의 손상 상태를 식별하는 탁월한 접근 방식을 제공한다. 본 발명에 따른 방법은 금속 TPS 패널의 구조적 역학을 연구하고 느슨한 볼트 결합으로 인한 금속 TPS 패널의 손상 상태를 식별하기 위해 높은 신뢰도로 적용할 수 있는 실행 가능한 비접촉(non-contact) 및 SHM 기술에 해당할 수 있다.The reduced MAC values in the case study show the level of damage of the metal TPS panel, especially the number of damaged edges. The combination of DIC method and MAC provides an excellent approach to evaluate ODS and identify the damage status of metal TPS panels. The method according to the present invention corresponds to a viable non-contact and SHM technique that can be applied with high reliability to study the structural dynamics of metal TPS panels and to identify damage states of metal TPS panels due to loose bolted coupling. can do.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the above has been described with reference to the preferred embodiment of the present invention, those skilled in the art can variously modify and change the present invention within the scope without departing from the spirit and scope of the present invention as described in the claims below. You will understand that it can be done.

100: 구조물 건전성 모니터링 시스템
110: 진동 시험 시스템 111: 충격 해머
113: 특정 구조물 115: 고속 카메라
130: 구조물 건전성 모니터링 장치
150: 데이터베이스
210: 구조물 이미지 획득부 230: 동특성 산출부
250: 건전성 모니터링부 270: 제어부
100: structure health monitoring system
110: vibration test system 111: impact hammer
113: specific structure 115: high-speed camera
130: structure health monitoring device
150: database
210: structure image acquisition unit 230: dynamic characteristic calculation unit
250: health monitoring unit 270: control unit

Claims (9)

특정 구조물에 대해 외부 자극을 제공하면서 상기 외부 자극의 제공 전후 각각의 시점에서 상기 특정 구조물에 대한 이미지를 획득하는 구조물 이미지 획득부;
상기 이미지를 기초로 상기 특정 구조물에 관한 고유 주파수(natural frequency), 감쇠비(damping ratio) 및 모드 형상(mode shape)을 포함하는 동특성을 산출하는 동특성 산출부; 및
상기 동특성의 변화를 검출하여 상기 특정 구조물의 볼트 조인트에 대한 손상을 감지하는 건전성 모니터링부를 포함하되,
상기 특정 구조물은 금속 TPS 패널(metallic TPS panel)로서, 사각 판형 구조를 형성하는 전면 플레이트; 상기 전면 플레이트와 소정의 간격으로 이격되어 평행하게 배치되는 후면 플레이트; 상기 전면 및 후면 플레이트들 사이에 배치되는 절연 부재(insulation material); 상기 전면 및 후면 플레이트들 간의 결합을 위한 복수의 볼트 조인트(bolted joint)들; 상기 복수의 볼트 조인트들 각각에 결합되어 상기 간격을 형성하는 스페이서(spacer)들; 및 상기 스페이서들의 양단에 결합되는 와셔(washer)들을 포함하고,
상기 구조물 이미지 획득부는 적어도 두개의 미세 나일론 코드에 의해 자유 경계 조건에서 수직으로 지지되는 상기 특정 구조물에 대해 상기 전면 플레이트의 후면에 있는 돌출 영역의 지점으로 충격 해머(hammer)에 의한 물리적 접촉을 상기 외부 자극으로서 제공하며,
상기 건전성 모니터링부는 상기 고유 주파수, 감쇠비 및 상기 모드 형상 간의 유사성에 관한 MAC(Modal Assurance Criterion)값의 변화를 기초로 상기 볼트 조인트의 손상을 감지하며,
상기 금속 TPS 패널의 모드 형상은 비틀림 모드, 굽힘 모드 및 굽힘-비틀림 모드를 포함하고, 상기 볼트 조인트의 손상은 단일 코너의 손상 및 두 코너의 손상을 포함하고 상기 두 코너의 손상은 대각선 코너의 손상 및 수직선 코너의 손상을 포함하는 것을 특징으로 하는 DIC 기법을 이용한 구조물 건전성 모니터링 장치.
a structure image acquisition unit that provides an external stimulus to the specific structure and acquires an image of the specific structure at each time point before and after the external stimulus is provided;
a dynamic characteristic calculator for calculating dynamic characteristics including a natural frequency, a damping ratio, and a mode shape for the specific structure based on the image; and
A health monitoring unit for detecting the change in the dynamic characteristics to detect damage to the bolt joint of the specific structure,
The specific structure is a metal TPS panel (metallic TPS panel), the front plate forming a rectangular plate-like structure; a rear plate spaced apart from the front plate at a predetermined distance and disposed in parallel with the front plate; an insulation material disposed between the front and rear plates; a plurality of bolted joints for coupling between the front and rear plates; spacers coupled to each of the plurality of bolt joints to form the gap; and washers coupled to both ends of the spacers,
The structure image acquisition unit makes physical contact by an impact hammer to the point of the protruding area on the rear surface of the front plate for the specific structure supported vertically in a free boundary condition by at least two fine nylon cords. provided as a stimulus,
The health monitoring unit detects damage to the bolt joint based on a change in a Modal Assurance Criterion (MAC) value related to the natural frequency, the damping ratio, and the similarity between the mode shapes,
The mode shape of the metal TPS panel includes a torsion mode, a bending mode and a bending-torsion mode, wherein the damage of the bolt joint includes damage of a single corner and damage of two corners, and the damage of the two corners includes damage of a diagonal corner And structure health monitoring device using the DIC technique, characterized in that it includes damage to the corner of the vertical line.
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 구조물 이미지 획득부는
1024 * 1024 픽셀의 해상도 및 50 mm의 초점 거리를 갖는 적어도 2개의 고속 카메라를 이용하여 프레임 속도, 셔터 속도 및 조리개 크기의 조합으로 설정되는 촬영 옵션에 따라 상기 외부 자극에 대한 응답으로서 상기 특정 구조물의 진동을 측정하는 것을 특징으로 하는 DIC 기법을 이용한 구조물 건전성 모니터링 장치.
According to claim 1, wherein the structure image acquisition unit
of the specific structure as a response to the external stimulus according to a shooting option set as a combination of frame rate, shutter speed and aperture size using at least two high-speed cameras with a resolution of 1024 * 1024 pixels and a focal length of 50 mm Structure health monitoring device using DIC technique, characterized in that the vibration is measured.
제1항에 있어서, 상기 동특성 산출부는
프레임 속도, 대역폭 및 계수에 관한 확대 파라미터가 적용된 위상 기반 확대(phase-based magnification) 방법을 이용하여 상기 이미지를 확대시키는 전처리 동작을 수행하는 것을 특징으로 하는 DIC 기법을 이용한 구조물 건전성 모니터링 장치.
The method of claim 1, wherein the dynamic characteristic calculating unit
A structure health monitoring apparatus using a DIC technique, characterized in that a preprocessing operation of magnifying the image is performed using a phase-based magnification method to which magnification parameters related to frame rate, bandwidth and coefficient are applied.
제1항에 있어서, 상기 동특성 산출부는
상기 이미지를 입력으로 하여 DIC(Digital Image Correlation) 기법을 적용한 결과로서 사전 정의된 광학대상(DOF)의 변형 응답을 생성하는 것을 특징으로 하는 DIC 기법을 이용한 구조물 건전성 모니터링 장치.
The method of claim 1, wherein the dynamic characteristic calculating unit
A structure health monitoring device using the DIC technique, characterized in that the deformation response of a predefined optical object (DOF) is generated as a result of applying a digital image correlation (DIC) technique by inputting the image as an input.
제6항에 있어서, 상기 동특성 산출부는
FFT 알고리즘을 사용하여 상기 변형 응답에 대한 스펙트럼 데이터를 산출하고 상기 스펙트럼 데이터로부터 상기 고유 주파수 및 상기 감쇠비를 산출하는 것을 특징으로 하는 DIC 기법을 이용한 구조물 건전성 모니터링 장치.
The method of claim 6, wherein the dynamic characteristic calculating unit
A structure health monitoring apparatus using a DIC technique, characterized in that the spectrum data for the deformation response is calculated using an FFT algorithm, and the natural frequency and the damping ratio are calculated from the spectrum data.
삭제delete 특정 구조물에 대해 외부 자극을 제공하면서 상기 외부 자극의 제공 전후 각각의 시점에서 상기 특정 구조물에 대한 이미지를 획득하는 단계;
상기 이미지를 기초로 상기 특정 구조물에 관한 고유 주파수(natural frequency), 감쇠비(damping ratio) 및 모드 형상(mode shape)을 포함하는 동특성을 산출하는 단계; 및
상기 동특성의 변화를 검출하여 상기 특정 구조물의 볼트 조인트에 대한 손상을 감지하는 단계를 포함하되,
상기 특정 구조물은 금속 TPS 패널(metallic TPS panel)로서, 사각 판형 구조를 형성하는 전면 플레이트; 상기 전면 플레이트와 소정의 간격으로 이격되어 평행하게 배치되는 후면 플레이트; 상기 전면 및 후면 플레이트들 사이에 배치되는 절연 부재(insulation material); 상기 전면 및 후면 플레이트들 간의 결합을 위한 복수의 볼트 조인트(bolted joint)들; 상기 복수의 볼트 조인트들 각각에 결합되어 상기 간격을 형성하는 스페이서(spacer)들; 및 상기 스페이서들의 양단에 결합되는 와셔(washer)들을 포함하고,
상기 이미지를 획득하는 단계는 적어도 두개의 미세 나일론 코드에 의해 자유 경계 조건에서 수직으로 지지되는 상기 특정 구조물에 대해 상기 전면 플레이트의 후면에 있는 돌출 영역의 지점으로 충격 해머(hammer)에 의한 물리적 접촉을 상기 외부 자극으로서 제공하는 단계를 포함하며,
상기 손상을 감지하는 단계는 상기 고유 주파수, 감쇠비 및 상기 모드 형상 간의 유사성에 관한 MAC(Modal Assurance Criterion)값의 변화를 기초로 상기 볼트 조인트의 손상을 감지하는 단계를 포함하며,
상기 금속 TPS 패널의 모드 형상은 비틀림 모드, 굽힘 모드 및 굽힘-비틀림 모드를 포함하고, 상기 볼트 조인트의 손상은 단일 코너의 손상 및 두 코너의 손상을 포함하고 상기 두 코너의 손상은 대각선 코너의 손상 및 수직선 코너의 손상을 포함하는 것을 특징으로 하는 DIC 기법을 이용한 구조물 건전성 모니터링 방법.
acquiring an image of the specific structure at each time point before and after providing the external stimulus while providing the external stimulus with respect to the specific structure;
calculating dynamic characteristics including a natural frequency, a damping ratio, and a mode shape for the specific structure based on the image; and
Detecting a change in the dynamic characteristics to detect damage to the bolt joint of the specific structure,
The specific structure is a metal TPS panel (metallic TPS panel), the front plate forming a rectangular plate-like structure; a rear plate spaced apart from the front plate at a predetermined distance and disposed in parallel with the front plate; an insulation material disposed between the front and rear plates; a plurality of bolted joints for coupling between the front and rear plates; spacers coupled to each of the plurality of bolt joints to form the gap; and washers coupled to both ends of the spacers,
The step of acquiring the image comprises physical contact by an impact hammer to the point of the protruding area on the back side of the front plate for the specific structure supported vertically in free boundary conditions by at least two fine nylon cords. providing as the external stimulus,
The detecting of the damage includes detecting the damage of the bolt joint based on a change in the MAC (Modal Assurance Criterion) value regarding the natural frequency, the damping ratio, and the similarity between the mode shapes,
The mode shape of the metal TPS panel includes a torsion mode, a bending mode and a bending-torsion mode, wherein the damage of the bolt joint includes damage of a single corner and damage of two corners, and the damage of the two corners includes damage of a diagonal corner And Structure health monitoring method using the DIC technique, characterized in that it includes damage to the corner of the vertical line.
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