KR102402966B1 - System and method for the failure mechanism detection of hybrid composite structures based on acoustic emission sensors and artificial intelligence algorithms - Google Patents
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Abstract
음향방출 센서와 인공지능 알고리즘 기반 혼성복합재료 구조물의 파손기구 탐지 시스템 및 그 방법이 개시된다. 일 실시예에 따른 파손기구 탐지 시스템에 의해 수행되는 혼성복합재료 구조물의 파손기구 탐지 방법은, 혼성복합재료 구조물로부터 방출되는 신호 정보를 탐지하는 단계; 상기 탐지된 신호 정보를 이용하여 식별된 파손기구에 따라 군집화(clustering)를 수행하는 단계; 상기 군집화를 수행함에 따라 생성된 군집의 신호 정보를 이용하여 파손기구를 분류하기 위하여 학습된 학습 모델에 새로운 신호 정보를 입력하는 단계; 및 상기 학습된 딥러닝 기반의 학습 모델을 이용하여 상기 새로운 신호 정보로부터 상기 혼성복합재료 구조물의 파손기구를 탐지하는 단계를 포함할 수 있다. Disclosed are a system for detecting a breakage mechanism of a hybrid composite structure based on an acoustic emission sensor and an artificial intelligence algorithm, and a method therefor. A breakage mechanism detection method of a hybrid composite material structure performed by a breakage mechanism detection system according to an embodiment includes: detecting signal information emitted from the hybrid composite material structure; performing clustering according to the identified breakage mechanism using the detected signal information; inputting new signal information into the learned learning model to classify the breakage mechanism using the signal information of the cluster generated by performing the clustering; and detecting a breakage mechanism of the hybrid composite material structure from the new signal information using the learned deep learning-based learning model.
Description
아래의 설명은 혼성복합재료 구조물의 파손기구를 탐지하는 기술에 관한 것이다. The description below relates to a technique for detecting failure mechanisms in hybrid composite structures.
최근 자동차나 항공기, 선박과 같은 운송수단의 경량화를 위해 초고강도강, 알루미늄, 섬유강화복합재료(Fiber Reinforced Plastics, FRP) 등 다양한 경량소재의 적용이 확대되고 있다. 특히, 혼성복합재료는 비강도, 비강성, 내피로성, 그리고 내열성 등의 우수한 기계적 물성을 지니고 있어 다양한 산업분야에 널리 적용되고 있으며, 종래의 금속재료에 비해 경량화가 가능하여 많은 각광을 받고 있다. 또한, 기존의 소재를 FRP 및 알루미늄과 같은 이종 소재간 접합을 위해 리벳을 이용한 기계적 접합 방법 기술이 고도화됨에 따라 FRP를 금속재료와 혼합한 경량화 및 고성능 제품, 기기, 또는 건축물들이 더욱 증가하고 있다.Recently, the application of various lightweight materials such as ultra-high-strength steel, aluminum, and Fiber Reinforced Plastics (FRP) is expanding to reduce the weight of transportation means such as automobiles, aircraft, and ships. In particular, the hybrid composite material has excellent mechanical properties, such as specific strength, specific stiffness, fatigue resistance, and heat resistance, and thus is widely applied in various industrial fields. In addition, as the mechanical bonding method technology using rivets for bonding existing materials between different materials such as FRP and aluminum is advanced, lightweight and high-performance products, devices, or buildings that mix FRP with metal materials are further increasing.
이와 같이 혼성복합재료의 사용이 증가됨에 따라 혼성복합재료가 적용된 구조물의 안전성과 내구성 확보는 필수적이며 안정적으로 운용 또는 작동되기 위해서는 외력에 의한 재료의 파손을 탐지하고 그 파손기구를 쉽게 파악할 수 있어야 한다. 그러나 구조물에 음향방출(AE) 센서만을 부착하여 음향방출 인자 해석에만 의존한 기존의 방법은 분석시간이 오래 걸리며 재료의 파손과 다양한 파손기구를 전문지식 없이 분석하기 어렵다. 또한, 구조물이 노출된 환경에 따른 노이즈(noise) 신호에 의해 파손기구를 식별하기 까다로운 한계가 있다. 현재, 각 혼성복합재료 구조물에 특화된 음향방출 신호 데이터를 인공지능 알고리즘을 적용하여 파손기구를 식별하는 시스템 및 방법은 거의 전무하다.As the use of hybrid composite materials increases, it is essential to secure the safety and durability of structures to which the hybrid composite material is applied. . However, the existing method, which relies only on acoustic emission factor analysis by attaching only the acoustic emission (AE) sensor to the structure, takes a long time to analyze, and it is difficult to analyze material damage and various failure mechanisms without specialized knowledge. In addition, there is a difficult limitation in identifying the breakage mechanism by the noise signal according to the environment to which the structure is exposed. At present, there is almost no system or method for identifying a breakage mechanism by applying an artificial intelligence algorithm to the acoustic emission signal data specialized for each hybrid composite structure.
혼성복합재료 구조물에서 발생하는 파손을 음향방출 센서를 이용하여 계측하고, 음향방출 인자 해석방법을 적용하여 각각의 신호 특성을 확인한 후 구조물의 각 재료의 파손기구에 따라 군집화된 데이터에 인공지능 알고리즘 기반 분류학습을 적용하여 사용자가 음향방출 신호나 재료의 거동 및 파손 관련 전문지식이 없어도 음향방출 신호 데이터 값만 입력하면 자동으로 구조물의 파손기구를 분류 및 탐지하는 시스템 및 그 방법을 제공할 수 있다. The damage occurring in the hybrid composite material structure is measured using the acoustic emission sensor, and each signal characteristic is checked by applying the acoustic emission factor analysis method, and then the artificial intelligence algorithm is based on the data clustered according to the failure mechanism of each material of the structure. By applying classification learning, it is possible to provide a system and method for automatically classifying and detecting the damage mechanism of a structure by inputting only the sound emission signal data value without the user having expertise in the acoustic emission signal or material behavior and damage.
파손기구 탐지 시스템에 의해 수행되는 혼성복합재료 구조물의 파손기구 탐지 방법은, 혼성복합재료 구조물로부터 방출되는 신호 정보를 탐지하는 단계; 상기 탐지된 신호 정보를 이용하여 식별된 파손기구에 따라 군집화(clustering)를 수행하는 단계; 상기 군집화를 수행함에 따라 생성된 군집의 신호 정보를 이용하여 파손기구를 분류하기 위하여 학습된 딥러닝 기반의 학습 모델에 새로운 신호 정보를 입력하는 단계; 및 상기 학습된 학습 모델을 이용하여 상기 새로운 신호 정보로부터 상기 혼성복합재료 구조물의 파손기구를 탐지하는 단계를 포함할 수 있다. A fracture mechanism detection method of a hybrid composite material structure performed by the failure mechanism detection system, the method comprising the steps of: detecting signal information emitted from the composite material structure; performing clustering according to the identified breakage mechanism using the detected signal information; inputting new signal information to the learned deep learning-based learning model to classify the breakage mechanism using the signal information of the cluster generated by performing the clustering; and detecting a failure mechanism of the hybrid composite material structure from the new signal information using the learned learning model.
상기 신호 정보를 탐지하는 단계는, 상기 혼성복합재료 구조물에서 변형 또는 파손이 예상되는 위치에 음향방출 센서를 부착하고, 상기 부착된 음향방출 부착된 센서를 이용하여 상기 혼성복합재료 구조물 또는 상기 혼성복합재료 구조물을 구성하고 있는 재료에서 방출되는 탄성파를 획득하는 단계를 포함하는 단계를 포함하고, 상기 군집화(clustering)를 수행하는 단계는, 상기 획득된 탄성파에 대한 단시간 퓨리에 변환(Short time furrier transform, STFT) 또는 고속 퓨리에 변환(Fast furrier transform, FFT)을 처리하여 시간에 따른 진폭, 유지시간, 에너지, 최대주파수 및 정규화 누적 에너지를 포함하는 음향방출 신호 정보에 대한 복수 개의 음향방출 인자 특성을 추출하는 단계를 포함할 수 있다. The detecting of the signal information includes attaching an acoustic emission sensor to a position where deformation or damage is expected in the hybrid composite material structure, and using the attached acoustic emission sensor to the hybrid composite material structure or the hybrid composite A method comprising: acquiring an acoustic wave emitted from a material constituting a material structure; and performing the clustering includes a Short time furrier transform (STFT) on the acquired acoustic wave. ) or processing a Fast furrier transform (FFT) to extract a plurality of sound emission factor characteristics for sound emission signal information including amplitude, holding time, energy, maximum frequency, and normalized cumulative energy according to time may include
상기 군집화(clustering)를 수행하는 단계는, 상기 추출된 복수 개의 음향방출 인자 특성을 기반으로 혼성복합재료 또는 혼성복합재료 구조물의 파손기구를 식별하고, 상기 군집화를 수행하여 생성된 군집에 상기 식별된 파손기구를 연계하여 파손기구에 따라 군집화된 신호 정보를 데이터베이스화하는 단계를 포함할 수 있다. The step of performing the clustering may include identifying a failure mechanism of a hybrid composite material or a hybrid composite material structure based on the extracted characteristics of a plurality of acoustic emission factors, and performing the clustering to identify the identified clusters. It may include the step of linking the breakage mechanism to database the signal information clustered according to the breakage mechanism.
상기 탐지된 탄성파로부터 추출된 시간에 따른 복수 개의 인자를 이용하여 파손기구에 따라 군집화(clustering)를 수행하는 단계는, 상기 음향방출 신호 정보를 k-Means, Genetic k-Means, Fuzzy C-Means, SOM(Self-Organizing Map), GMM (Gaussian Mixture Model), 및 hierarchical model 중 어느 하나를 이용하여 군집화하는 단계를 포함할 수 있다. The step of clustering according to the breakage mechanism using a plurality of factors according to time extracted from the detected seismic wave includes converting the sound emission signal information into k-Means, Genetic k-Means, Fuzzy C-Means, The method may include clustering using any one of a Self-Organizing Map (SOM), a Gaussian Mixture Model (GMM), and a hierarchical model.
상기 군집화(clustering)를 수행하는 단계는, 상기 식별된 파손기구에 따라 군집화를 수행함에 따라 생성된 군집의 중심에서 x-y 좌표계에서의 거리, 유클리드 거리 또는 통계 및 확률적 거리를 포함하는 거리 정보, 시간에 따른 신호 정보를 데이터베이스화하는 단계를 포함할 수 있다. The step of performing the clustering includes distance information, Euclidean distance or statistical and stochastic distance from the center of the cluster generated by performing clustering according to the identified breakage mechanism, in the x-y coordinate system, distance information, time It may include the step of databaseizing the signal information according to the.
상기 혼성복합재료 구조물은, 단일 FRP 재료, 또는 FRP 재료와 금속재료간 리벳(rivet)이나 본딩(bonding) 방식으로 접합된 구조, 이종 FRP 재료간의 리벳(rivet)이나 본딩(bonding) 방식으로 접합된 구조인 것을 포함할 수 있다. The hybrid composite material structure is a single FRP material, or a structure joined by a rivet or bonding method between an FRP material and a metal material, and a rivet or bonding method between different FRP materials. It may include a structure.
상기 새로운 신호 정보를 입력하는 단계는, 파손기구를 분류하기 위하여 구축된 딥러닝 기반의 학습 모델을 이용하여 상기 군집화를 수행한 시간에 따른 음향방출 신호 정보에 대한 분류 학습을 수행하는 단계를 포함하고, 상기 파손기구를 탐지하는 단계는, 상기 새로운 신호 정보로부터 추출된 복수 개의 음향방출 인자를 상기 분류 학습이 수행된 학습 모델에 입력하여 상기 혼성복합재료 구조물의 파손기구를 탐지하는 단계를 포함할 수 있다. The step of inputting the new signal information includes performing classification learning on the acoustic emission signal information according to the time at which the clustering is performed using a deep learning-based learning model built to classify the breakage mechanism, and , The step of detecting the breakage mechanism may include inputting a plurality of sound emission factors extracted from the new signal information into the learning model on which the classification learning is performed to detect the breakage mechanism of the hybrid composite material structure. have.
파손기구 탐지 시스템은, 혼성복합재료 구조물을 구성하고 있는 재료로부터 방출되는 신호 정보를 탐지하는 신호 탐지부; 상기 탐지된 신호 정보를 이용하여 식별된 파손기구에 따라 군집화(clustering)를 수행하는 군집화부; 상기 군집화를 수행함에 따라 생성된 군집의 신호 정보를 이용하여 파손기구를 분류하기 위하여 학습된 딥러닝 기반의 학습 모델에 새로운 신호 정보를 입력하는 입력부; 및 상기 학습된 학습 모델을 이용하여 상기 새로운 신호 정보로부터 상기 혼성복합재료 구조물의 파손기구를 탐지하는 파손기구 탐지부를 포함할 수 있다. Breakage mechanism detection system, a signal detection unit for detecting the signal information emitted from the material constituting the hybrid composite structure; a clustering unit configured to perform clustering according to the identified breakage mechanism using the detected signal information; an input unit for inputting new signal information into the deep learning-based learning model learned in order to classify the breakage mechanism using the signal information of the cluster generated by performing the clustering; And it may include a failure mechanism detection unit for detecting the failure mechanism of the hybrid composite structure from the new signal information using the learned learning model.
일 실시예에 따른 파손기구 탐지 시스템은 임의의 하중이 주어지는 환경에서 혼성복합재료 구조물에 발생하는 파손기구 별 군집화 신호 데이터와 인공지능 학습 알고리즘을 적용하여 혼성복합재료 구조물의 파손기구를 간단하고 용이하게 확인할 수 있다. The breakage mechanism detection system according to an embodiment applies the clustering signal data and artificial intelligence learning algorithm for each breakage mechanism occurring in the hybrid composite material structure in an environment where an arbitrary load is applied to simply and easily detect the failure mechanism of the hybrid composite material structure. can be checked
일 실시예에 따른 파손기구 탐지 시스템은 음향방출 신호 해석에 대한 전문 지식이 부족한 작업자가 쉽게 이용할 수 있다. The breakage mechanism detection system according to an embodiment can be easily used by a worker who lacks professional knowledge for sound emission signal analysis.
일 실시예에 따른 파손기구 탐지 시스템은 혼성복합재료 구조물이 적용되는 다양한 제품이나 기기에 적용하여 안정성과 신뢰성을 즉각적으로 확보할 수 있고 간단하고 정확하게 파손기구를 확인할 수 있다. The breakage mechanism detection system according to an embodiment can be applied to various products or devices to which the hybrid composite material structure is applied, so that stability and reliability can be immediately secured, and the breakage mechanism can be identified simply and accurately.
일 실시예에 따른 파손기구 탐지 시스템은 비교적 단시간에 복합재료구조물 파손에 대한 대응이 가능하여 파손 분석에 필요한 비용 및 시간을 절감시킬 수 있다. The breakage mechanism detection system according to an embodiment can respond to damage to the composite material structure in a relatively short time, thereby reducing cost and time required for breakage analysis.
도 1은 일 실시예에 따른 파손기구 탐지 시스템의 구성을 설명하기 위한 블록도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 파손기구 탐지 시스템에서 음향방출 센서와 인공지능 알고리즘 기반의 혼성복합재료 구조물의 파손기구 탐지 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 파손기구 탐지 시스템에서 중첩전단시험에 사용된 SPR 접합된 CFRP-A16061 시편을 설명하기 위한 예이다.
도 4는 일 실시예에 따른 파손기구 탐지 시스템에서 중첩전단시험 t-AE 센서 연계 시험을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 일 실시예에 따른 파손기구 탐지 시스템에서 중첩전단시험에서 파손된 CFRP의 파손기구별 광학현미경 분석 결과를 설명하기 위한 예이다.
도 6은 일 실시예에 따른 파손기구 탐지 시스템에서 CFRP의 시간에 따른 음향방출 신호의 최대주파수 군집화 결과를 설명하기 위한 예이다.
도 7은 일 실시예에 따른 파손기구 탐지 시스템에서 A16061의 시간에 따른 음향방출 신호의 최대주파수 군집화 결과를 설명하기 위한 예이다.
도 8은 일 실시예에 따른 파손기구 탐지 시스템에서 학습 모델을 구성하는 네트워크를 설명하기 위한 예이다.
도 9는 일 실시예에 따른 파손기구 탐지 시스템에서 CFRP-A16061 시편의 파손기구를 분류한 결과를 설명하기 위한 예이다. 1 is a block diagram for explaining the configuration of a breakage mechanism detection system according to an embodiment.
2 is a flowchart for explaining a method of detecting a breakage mechanism of a hybrid composite material structure based on an acoustic emission sensor and an artificial intelligence algorithm in a breakage mechanism detection system according to an embodiment.
3 is an example for explaining the SPR-bonded CFRP-A16061 specimen used in the overlap shear test in the breakage mechanism detection system according to an embodiment.
4 is a view for explaining an overlap shear test t-AE sensor linkage test in a breakage mechanism detection system according to an embodiment.
5 is an example for explaining the optical microscopic analysis results for each breakage mechanism of the CFRP damaged in the overlap shear test in the breakage mechanism detection system according to an embodiment.
6 is an example for explaining the maximum frequency clustering result of the sound emission signal over time of the CFRP in the breakage mechanism detection system according to an embodiment.
7 is an example for explaining the maximum frequency clustering result of the sound emission signal over time of A16061 in the breakage mechanism detection system according to an embodiment.
8 is an example for explaining a network constituting a learning model in the breakage mechanism detection system according to an embodiment.
9 is an example for explaining the results of classifying the breakage mechanism of the CFRP-A16061 specimen in the breakage mechanism detection system according to an embodiment.
이하, 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
실시예에서는 단일복합재료가 아닌 혼성복합재료 구조물을 대상으로 다양한 하중을 부여한 후, 이때 계측되는 음향방출 신호를 k-means와 같은 군집화 알고리즘을 적용하여 각 군집에 따른 파손기구를 연계한다. 그리고 각 파손기구에 따라 군집화된 신호정보를 데이터베이스화한 후, 인공지능 기반의 분류학습 알고리즘을 적용하고 학습시켜 실시간으로 계측되는 음향방출 신호에 대한 파손기구를 분석하는 동작을 설명하기로 한다. 이에, 자동차, 항공기, 선박 그리고 건축구조물 등과 같은 인공지능 알고리즘 기반의 안정성과 신뢰성 확인이 요구되는 혼성복합재료가 적용된 모든 구조물에 적용되어 사용자에게 즉각적인 파손에 따른 위험 파악 및 파손기구에 따른 대응방안을 수립할 수 있게 함과 동시에 안전한 작업 및 운용환경 조성에 활용될 수 있다.In the embodiment, after applying various loads to a hybrid composite material structure rather than a single composite material, a clustering algorithm such as k -means is applied to the acoustic emission signal measured at this time to link the failure mechanism according to each cluster. And after making a database of signal information clustered according to each breakage mechanism, an operation of analyzing the breakage mechanism for the acoustic emission signal measured in real time by applying and learning an artificial intelligence-based classification learning algorithm will be described. Accordingly, it is applied to all structures to which hybrid composite materials that require confirmation of stability and reliability based on artificial intelligence algorithms, such as automobiles, aircraft, ships, and building structures, are applied, and provides users with an immediate understanding of the risk of damage and countermeasures according to the damage mechanism. At the same time, it can be used to create a safe working and operating environment.
도 1은 일 실시예에 따른 파손기구 탐지 시스템의 구성을 설명하기 위한 블록도이고, 도 2는 일 실시예에 따른 파손기구 탐지 시스템에서 음향방출 센서와 인공지능 알고리즘 기반의 혼성복합재료 구조물의 파손기구 탐지 방법을 설명하기 위한 흐름도이다. 1 is a block diagram illustrating the configuration of a breakage mechanism detection system according to an embodiment, and FIG. 2 is a breakage of a hybrid composite material structure based on an acoustic emission sensor and an artificial intelligence algorithm in a breakage mechanism detection system according to an embodiment It is a flowchart for explaining the instrument detection method.
파손기구 탐지 시스템(100)은 신호 탐지부(110), 군집화부(120), 입력부(130) 및 파손기구 탐지부(140)를 포함할 수 있다. 이러한 파손기구 탐지 시스템(100)의 구성요소들은 파손기구 탐지 시스템(100)에 저장된 프로그램 코드가 제공하는 명령에 따라 프로세서에 의해 수행되는 서로 다른 기능들(different functions)의 표현들일 수 있다. 파손기구 탐지 시스템(100) 및 파손기구 탐지 시스템(100)의 구성요소들은 도 2의 음향방출 센서와 인공지능 알고리즘 기반의 혼성복합재료 구조물의 파손기구 탐지 방법이 포함하는 단계들(210 내지 240)을 수행하도록 파손기구 탐지 시스템을 제어할 수 있다. 이때, 파손기구 탐지 시스템(100) 및 파손기구 탐지 시스템(100)의 구성요소들은 메모리가 포함하는 운영체제의 코드와 적어도 하나의 프로그램의 코드에 따른 명령(instruction)을 실행하도록 구현될 수 있다. The breakage
파손기구 탐지 시스템은 음향방출 센서와 인공지능 알고리즘 기반의 혼성복합재료 구조물의 파손기구 탐지 방법을 위한 프로그램의 파일에 저장된 프로그램 코드를 메모리에 로딩할 수 있다. 예를 들면, 파손기구 탐지 시스템에서 프로그램이 실행되면, 프로세서는 운영체제의 제어에 따라 프로그램의 파일로부터 프로그램 코드를 메모리에 로딩하도록 파손기구 탐지 시스템을 제어할 수 있다. 이때, 파손기구 탐지 시스템(100) 및 파손기구 탐지 시스템(100)이 포함하는 신호 탐지부(110), 군집화부(120), 입력부(130) 및 파손기구 탐지부(140) 각각은 메모리에 로딩된 프로그램 코드 중 대응하는 부분의 명령을 실행하여 이후 단계들(210 내지 240)을 실행하기 위한 파손기구 탐지 시스템(100)의 서로 다른 기능적 표현들일 수 있다. The breakage mechanism detection system may load the program code stored in the file of the program for the method for detecting the breakage mechanism of the hybrid composite material structure based on the acoustic emission sensor and the artificial intelligence algorithm into the memory. For example, when a program is executed in the breakage detection system, the processor may control the breakage mechanism detection system to load a program code from a file of the program into the memory according to the control of the operating system. At this time, each of the breakage
단계(210)에서 신호 탐지부(110)는 혼성복합재료 구조물로부터 방출되는 신호 정보를 탐지할 수 있다. 우선적으로, 혼성복합재료 또는 혼성복합재료 구조물이 준비될 수 있다. 이때, 혼성복합재료 구조물은 단일 FRP 재료, 또는 FRP 재료와 금속재료간 리벳(rivet)이나 본딩(bonding) 방식으로 접합된 구조, 이종 FRP 재료간의 리벳(rivet)이나 본딩(bonding) 방식으로 접합된 구조를 포함할 수 있다. 신호 탐지부(110)는 혼성복합재료 또는 혼성복합재료 구조물에서 변형 또는 파손이 예상되는 위치(예를 들면, 관심이 되는 구조물/재료)에 음향방출 센서를 부착하고, 부착된 음향방출 부착된 센서를 이용하여 혼성복합재료 구조물 또는 혼성복합재료 구조물을 구성하고 있는 재료에서 방출되는 탄성파를 획득할 수 있다. In
단계(220)에서 군집화부(120)는 탐지된 신호 정보를 이용하여 식별된 파손기구에 따라 군집화(clustering)를 수행할 수 있다. 군집화부(120)는 획득된 탄성파에 대한 단시간 퓨리에 변환(Short time furrier transform, STFT) 또는 고속 퓨리에 변환(Fast furrier transform, FFT)을 처리하여 시간에 따른 진폭(amplitude), 유지시간(duration time), 에너지, 최대주파수(peak frequency) 및 정규화 누적 에너지(normalized cumulative energy)를 포함하는 음향방출 신호 정보에 대한 복수 개의 음향방출 인자 특성을 추출할 수 있다. 이때, 군집화부(120)는 추출된 복수 개의 음향방출 인자 특성을 기반으로 혼성복합재료 또는 혼성복합재료 구조물의 파손기구를 식별하고, 군집화를 수행하여 생성된 군집에 식별된 파손기구를 연계하여 파손기구에 따라 군집화된 신호 정보를 데이터베이스화할 수 있다. 군집화부(120)는 식별된 파손기구에 따라 군집화를 수행함에 따라 생성된 군집의 중심에서 x-y 좌표계에서의 거리, 유클리드 거리 또는 통계 및 확률적 거리를 포함하는 거리 정보, 시간에 따른 신호 정보를 데이터베이스에 저장할 수 있다.In
단계(230)에서 입력부(130)는 군집화를 수행함에 따라 생성된 군집의 신호 정보를 이용하여 파손기구를 분류하기 위하여 학습된 딥러닝 기반의 학습 모델에 새로운 신호 정보를 입력할 수 있다. 입력부(130)는 파손기구를 분류하기 위하여 구축된 딥러닝 기반의 학습 모델을 이용하여 군집화를 수행한 시간에 따른 음향방출 신호 정보에 대한 분류 학습을 수행할 수 있다. 입력부(130)는 ANN이나 DNN, 그리고 RNN과 같은 딥러닝(deep learning) 알고리즘을 이용하여 군집화된 시간에 따른 음향방출 신호 정보를 분류 학습할 수 있다. 입력부(130)는 신호 정보 데이터베이스에서 학습 데이터와 시험 데이터의 비율, 노드(node)와 층(layer)의 수, 활성화함수(activation function), 그리고 손실함수(loss function) 등의 하이퍼 파라미터(hyperparameter)를 튜닝한 후 분류 학습을 수행하여 혼성복합재료 구조물의 파손에 의한 새로운 음향방출 신호가 입력되었을 때, 정확한 파손기구를 분류할 수 있는 딥러닝 기반의 학습 모델을 구축할 수 있다. 입력부(130)는 새로운 음향방출 신호를 x축(시간), y축(신호의 유지시간, 진폭, 최대 주파수, 에너지, 정규화 누적 에너지 등 복수 개의 음향방출 인자 특성) 데이터를 x-y 좌표계 그래프 상에 읽어들였을 때 나타나는 신호 정보 데이터를 파손기구를 분류하기 위하여 학습된 딥러닝 기반의 학습 모델에 새로운 신호 정보를 입력할 수 있다. In
단계(240)에서 파손기구 탐지부(140)는 학습된 학습 모델을 이용하여 새로운 신호 정보로부터 혼성복합재료 구조물의 파손기구를 탐지할 수 있다. 파손기구 탐지부(140)는 새로운 신호 정보로부터 추출된 복수 개의 음향방출 인자를 분류 학습이 수행된 학습 모델에 입력하여 혼성복합재료 구조물의 파손기구를 탐지할 수 있다. In
더 나아가, 주사전자현미경 또는 광학현미경을 이용하여 혼성복합재료 구조물의 파면이 관찰될 수 있다. 예를 들면, 주사전자현미경 또는 광학현미경으로부터 수신된 영상 신호를 이용하여 혼성복합재료 구조물의 파단면이 관찰될 수 있으며, 관찰된 파단면에 대한 손상상태가 출력될 수 있다. Furthermore, the wavefront of the hybrid composite material structure can be observed using a scanning electron microscope or an optical microscope. For example, a fracture surface of the hybrid composite material structure may be observed using an image signal received from a scanning electron microscope or an optical microscope, and a damage state for the observed fracture surface may be output.
도 3은 일 실시예에 따른 파손기구 탐지 시스템에서 중첩전단시험에 사용된 SPR 접합된 CFRP-A16061 시편을 설명하기 위한 예이다.3 is an example for explaining the SPR-bonded CFRP-A16061 specimen used in the overlap shear test in the breakage mechanism detection system according to an embodiment.
파손기구 탐지 시스템은 혼성복합재료 구조물의 파손기구를 확인하기 위하여 혼성복합재료 또는 혼성복합재료 구조물의 사용할 수 있다. 예를 들면, 혼성복합재료 구조물은 단일 FRP 재료, 또는 FRP 재료와 금속재료간 리벳(rivet)이나 본딩(bonding) 방식으로 접합된 구조, 또는 이종 FRP 재료간의 리벳(rivet)이나 본딩(bonding) 방식으로 접합된 구조로 구성될 수 있다. 도 3을 참고하면, 직조형 탄소섬유 강화 복합재료(carbon fiber reinforced plastic, CFRP)와 Al6061을 자가천공리벳(self pierced rivet, SPR)으로 접합한 시편을 사용한 것을 예를 들어 설명하기로 한다. The failure mechanism detection system can be used in the hybrid composite material or the hybrid composite material structure to identify the failure mechanism of the composite material structure. For example, a hybrid composite structure is a single FRP material, or a structure joined by a rivet or bonding method between an FRP material and a metal material, or a rivet or bonding method between different FRP materials It can be composed of a structure joined by Referring to FIG. 3 , a specimen obtained by bonding woven carbon fiber reinforced plastic (CFRP) and Al6061 with a self pierced rivet (SPR) will be described as an example.
도 4는 일 실시예에 따른 파손기구 탐지 시스템에서 중첩전단시험 t-AE 센서 연계 시험을 설명하기 위한 도면이다. 4 is a view for explaining an overlap shear test t-AE sensor linkage test in a breakage mechanism detection system according to an embodiment.
임의의 변위 제어 방식으로 CFRP-Al6061 시편의 파손기구와 음향방출 신호를 확인하기 위하여 CFRP와 Al6061에 각각 음향방출 센서를 장착한 후, 인장시험기를 이용하여 중첩전단시험(lap shear test)이 진행될 수 있으며, 음향방출 센서를 컴퓨터에 연결하여 신호 정보를 획득할 수 있다. In order to check the breakage mechanism and acoustic emission signal of the CFRP-Al6061 specimen in an arbitrary displacement control method, after installing acoustic emission sensors on CFRP and Al6061, respectively, a lap shear test can be performed using a tensile tester. In addition, it is possible to obtain signal information by connecting an acoustic emission sensor to a computer.
파손기구 탐지 시스템은 음향방출 센서에서 획득된 신호처리를 위해서 문턱 전압값은 기 설정된 값(예를 들면, 40dB)로 설정하여 STFT(short time fourier transform) 처리할 수 있다. 또는, STFT 이외에도 FFT 처리가 적용될 수 있다. 다양한 하중에서 CFRP-Al6061 시편의 음향방출 신호를 분석하기 위해서 인장속도를 표 1과 같이 기 설정된 단위(예를 들면, 1.0mm/min부터 0.5mm/min 단위)로 증가시켜 최대 10.0mm/min까지 복수(예를 들면, 19가지)개의 경우의 중첩전단시험을 진행한 후 시간에 따른 음향방출 신호의 최대 주파수 데이터를 분석할 수 있다.The breakage mechanism detection system may set the threshold voltage value to a preset value (eg, 40 dB) for signal processing obtained from the sound emission sensor, and perform short time fourier transform (STFT) processing. Alternatively, FFT processing may be applied in addition to STFT. In order to analyze the acoustic emission signal of the CFRP-Al6061 specimen under various loads, the tensile speed is increased by a preset unit (for example, from 1.0 mm/min to 0.5 mm/min unit) as shown in Table 1 to a maximum of 10.0 mm/min. After performing the overlap shear test in a plurality (eg, 19) cases, it is possible to analyze the maximum frequency data of the acoustic emission signal over time.
표 1:Table 1:
도 5는 일 실시예에 따른 파손기구 탐지 시스템에서 중첩전단시험에서 파손된 CFRP의 파손기구별 광학현미경 분석 결과를 설명하기 위한 예이다. 5 is an example for explaining the optical microscopic analysis results for each breakage mechanism of the CFRP damaged in the overlap shear test in the breakage mechanism detection system according to an embodiment.
파손기구 탐지 시스템은 수행된 중첩전단시험을 기반으로 광학현미경 분석을 통해 모재파손, 섬유/모재 분리, 그리고 섬유파손 등 다양한 (예를 들면, 총 3 개) 파손기구를 분류할 수 있다. Al6061은 소성변형에 의한 파손기구가 확인될 수 있다. The breakage mechanism detection system can classify various (for example, three in total) breakage mechanisms such as base metal breakage, fiber/base metal separation, and fiber breakage through optical microscopic analysis based on the performed overlap shear test. In Al6061, the breakage mechanism due to plastic deformation can be confirmed.
도 6은 일 실시예에 따른 파손기구 탐지 시스템에서 CFRP의 시간에 따른 음향방출 신호의 최대주파수 군집화 결과를 설명하기 위한 예이고, 도 7은 일 실시예에 따른 파손기구 탐지 시스템에서 A16061의 시간에 따른 음향방출 신호의 최대주파수 군집화 결과를 설명하기 위한 예이다. Figure 6 is an example for explaining the maximum frequency clustering result of the acoustic emission signal over time of CFRP in the breakage mechanism detection system according to an embodiment, Figure 7 is a breakage mechanism detection system according to an embodiment at the time of A16061 This is an example for explaining the maximum frequency clustering result of the acoustic emission signal according to the
예를 들면, 파손기구 탐지 시스템은 음향방출 신호에 대한 신호 정보를 x-y 좌표계 그래프상에 읽어들인 후, k-Means, Genetic k-Means, Fuzzy C-Means, SOM, GMM, hierarchical model 등 다양한 인공지능 알고리즘을 기반으로 군집화할 수 있다. 상세하게는, 파손기구 탐지 시스템은 인공지능 알고리즘을 적용하여 CFRP-Al6061 시편의 파손기구에 따른 음향방출 신호를 군집화하기 위해서 x축(시간), y축(신호)의 최대 주파수 데이터를 x-y 좌표계 그래프에 k-Means 방법을 적용하여 시편에서 발생하는 음향방출 신호를 군집화할 수 있다. For example, the breakage mechanism detection system reads the signal information about the acoustic emission signal on the x-y coordinate system graph, and then provides various artificial intelligence such as k-Means, Genetic k-Means, Fuzzy C-Means, SOM, GMM, hierarchical model, etc. It can be clustered based on an algorithm. Specifically, the breakage mechanism detection system applies an artificial intelligence algorithm to cluster the acoustic emission signals according to the breakage mechanism of the CFRP-Al6061 specimen. By applying the k-Means method to , the acoustic emission signals generated from the specimen can be clustered.
그 중 표 1의 Case 5에서 45.2초 동안 진행된 중첩전단시험의 CFRP와 Al6061에서 획득한 각각 2,062개, 1,470개의 시간에 따른 음향방출 신호의 최대주파수 군집화 결과를 도 6 및 도 7의 그래프로 나타낼 수 있으며, 군집(cluster)에 소속된 파손기구를 표 2와 같이 나타낼 수 있다.Among them, the maximum frequency clustering results of 2,062 and 1,470 time-dependent acoustic emission signals obtained from CFRP and Al6061 of the overlap shear test conducted for 45.2 seconds in
표 2:Table 2:
이후, 파손기구 탐지 시스템은 딥러닝 알고리즘을 적용하여 분류 학습을 진행하기 위해서 CFRP와 Al6061의 파손기구에 따른 각각의 군집 중심에서 신호 데이터까지 유클리드 거리와 시간에 따른 신호정보를 표 3, 표 4와 같이 정리하여 데이터베이스를 구축할 수 있다. After that, the breakage mechanism detection system applies the deep learning algorithm to perform classification learning, and the Euclidean distance from each cluster center to the signal data according to the breakage mechanism of CFRP and Al6061 and the signal information according to time are shown in Tables 3 and 4 and You can organize them together to build a database.
표 3:Table 3:
표 4: Table 4:
도 8은 일 실시예에 따른 파손기구 탐지 시스템에서 학습 모델을 구성하는 네트워크를 설명하기 위한 예이다. 8 is an example for explaining a network constituting a learning model in the breakage mechanism detection system according to an embodiment.
파손기구 탐지 시스템은 인공지능 알고리즘 기반의 분류 학습을 수행할 수 있다. 일례로, 파이썬(Python), C, C++ 또는 매틀랩(matlab) 등의 환경에서 ANN, DNN, RNN 등과 같은 딥러닝 알고리즘을 이용하여 군집화된 시간에 따른 음향방출 신호에 대한 신호 정보에 대한 분류 학습을 수행할 수 있다.The breakage mechanism detection system can perform classification learning based on artificial intelligence algorithms. As an example, in an environment such as Python, C, C++, or matlab, using a deep learning algorithm such as ANN, DNN, RNN, etc. can be done
실시예에서는 파이썬(Python) 환경에서 ANN 기반의 Keras 딥러닝 알고리즘을 적용하여 분류 학습을 수행할 수 있다. 이때, 하이퍼파라미터(hyperparameter) 튜닝을 위해 학습데이터 수와 시험데이터 개수의 비율을 설정하여 도 8과 같이 네트워크를 구성할 수 있다. 예를 들면, 하이퍼파라미터(hyperparameter) 튜닝을 위해 학습데이터 수와 시험데이터 개수의 비율을 7:3으로 설정하여 1000개 노드와 5개의 레이어로 네트워크를 구성하였으며, 로지스틱 손실함수(logistic loss function)와 Relu 활성화 함수(activation function)로 딥러닝 모델을 구축하여 1000번 반복 분류 학습을 수행할 수 있다. 이에, 높은 수준(예를 들면, 94%)의 학습 정확도가 도출될 수 있다. In an embodiment, classification learning may be performed by applying the ANN-based Keras deep learning algorithm in a Python environment. In this case, the network may be configured as shown in FIG. 8 by setting the ratio of the number of training data to the number of test data for hyperparameter tuning. For example, for hyperparameter tuning, the ratio of the number of training data to the number of test data was set to 7:3, and the network was composed of 1000 nodes and 5 layers, and the logistic loss function and By building a deep learning model with the Relu activation function, classification learning can be performed 1000 times. Accordingly, a high level (eg, 94%) of learning accuracy may be derived.
도 9는 일 실시예에 따른 파손기구 탐지 시스템에서 CFRP-A16061 시편의 파손기구를 분류한 결과를 설명하기 위한 예이다. 9 is an example for explaining the results of classifying the breakage mechanism of the CFRP-A16061 specimen in the breakage mechanism detection system according to an embodiment.
파손기구 탐지 시스템은 음향방출 센서와 인공지능 학습 알고리즘 기반 혼성복합재료 구조물의 파손 및 파손기구 탐지 방법을 위한 학습 모델을 제시할 수 있다. 파손기구 탐지 시스템에 의해 새롭게 획득된 AE 신호를 2119개의 신호 정보(시간, 최대 주파수)를 좌표 정보에 위치시켰을 때 표 5와 같이 군집 중심에서 신호 데이터까지 유클리드 거리와 시간에 따른 신호정보 데이터를 완성된 학습 모델에 입력하여 직관적으로 파손기구를 확인할 수 있다.The breakage mechanism detection system can present a learning model for the method of detecting breakage and breakage mechanism of hybrid composite structures based on acoustic emission sensors and artificial intelligence learning algorithms. When the AE signal newly acquired by the breakage detection system was placed in the coordinate information of 2119 signal information (time, maximum frequency), as shown in Table 5, the Euclidean distance from the cluster center to the signal data and the signal information data according to time were completed. You can check the damage mechanism intuitively by inputting it into the trained learning model.
표 5:Table 5:
이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPGA(field programmable gate array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.The device described above may be implemented as a hardware component, a software component, and/or a combination of the hardware component and the software component. For example, devices and components described in the embodiments may include, for example, a processor, a controller, an arithmetic logic unit (ALU), a digital signal processor, a microcomputer, a field programmable gate array (FPGA). , a programmable logic unit (PLU), microprocessor, or any other device capable of executing and responding to instructions, may be implemented using one or more general purpose or special purpose computers. The processing device may execute an operating system (OS) and one or more software applications running on the operating system. A processing device may also access, store, manipulate, process, and generate data in response to execution of the software. For convenience of understanding, although one processing device is sometimes described as being used, one of ordinary skill in the art will recognize that the processing device includes a plurality of processing elements and/or a plurality of types of processing elements. It can be seen that can include For example, the processing device may include a plurality of processors or one processor and one controller. Other processing configurations are also possible, such as parallel processors.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치에 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.Software may comprise a computer program, code, instructions, or a combination of one or more thereof, which configures a processing device to operate as desired or is independently or collectively processed You can command the device. The software and/or data may be any kind of machine, component, physical device, virtual equipment, computer storage medium or apparatus, to be interpreted by or to provide instructions or data to the processing device. may be embodied in The software may be distributed over networked computer systems and stored or executed in a distributed manner. Software and data may be stored in one or more computer-readable recording media.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. The method according to the embodiment may be implemented in the form of program instructions that can be executed through various computer means and recorded in a computer-readable medium. The computer-readable medium may include program instructions, data files, data structures, etc. alone or in combination. The program instructions recorded on the medium may be specially designed and configured for the embodiment, or may be known and available to those skilled in the art of computer software. Examples of the computer-readable recording medium include magnetic media such as hard disks, floppy disks and magnetic tapes, optical media such as CD-ROMs and DVDs, and magnetic such as floppy disks. - includes magneto-optical media, and hardware devices specially configured to store and execute program instructions, such as ROM, RAM, flash memory, and the like. Examples of program instructions include not only machine language codes such as those generated by a compiler, but also high-level language codes that can be executed by a computer using an interpreter or the like.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.As described above, although the embodiments have been described with reference to the limited embodiments and drawings, various modifications and variations are possible from the above description by those skilled in the art. For example, the described techniques are performed in an order different from the described method, and/or the described components of the system, structure, apparatus, circuit, etc. are combined or combined in a different form than the described method, or other components Or substituted or substituted by equivalents may achieve an appropriate result.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents to the claims are also within the scope of the following claims.
Claims (8)
혼성복합재료 구조물로부터 방출되는 신호 정보를 탐지하는 단계;
상기 탐지된 신호 정보를 이용하여 식별된 파손기구에 따라 군집화(clustering)를 수행하는 단계;
상기 군집화를 수행함에 따라 생성된 군집의 신호 정보를 이용하여 파손기구를 분류하기 위하여 학습된 딥러닝 기반의 학습 모델에 새로운 신호 정보를 입력하는 단계; 및
상기 학습된 학습 모델을 이용하여 상기 새로운 신호 정보로부터 상기 혼성복합재료 구조물의 파손기구를 탐지하는 단계
를 포함하고,
상기 혼성복합재료 구조물은,
단일 FRP 재료, 또는 FRP 재료와 금속재료간 접합된 구조, 이종 FRP 재료간 접합된 구조를 포함하고,
상기 신호 정보를 탐지하는 단계는,
인장시험기를 이용하여 기 설정된 단위로 하중이 증가되는 중첩전단시험(lap shear test)이 진행됨에 따라 상기 혼성복합재료 구조물에 부착된 음향방출 센서를 이용하여 상기 혼성복합재료 구조물 또는 상기 혼성복합재료 구조물을 구성하고 있는 재료에서 방출되는 탄성파를 획득하는 단계
를 포함하고,
상기 군집화(clustering)를 수행하는 단계는,
상기 획득된 탄성파로부터 시간에 따른 진폭, 유지시간, 에너지, 최대주파수 및 정규화 누적 에너지를 포함하는 음향방출 신호 정보에 대한 복수 개의 음향방출 인자 특성을 추출하고, 상기 추출된 복수 개의 음향방출 인자 특성을 기반으로 혼성복합재료 또는 혼성복합재료 구조물의 파손기구를 식별하고, 상기 군집화를 수행하여 생성된 군집에 상기 식별된 파손기구를 연계하여 파손기구에 따라 군집화된 신호 정보를 데이터베이스화하는 단계
를 포함하고,
상기 새로운 신호 정보를 입력하는 단계는,
파손기구를 분류하기 위하여 구축된 딥러닝 기반의 학습 모델을 이용하여 상기 군집화를 수행한 시간에 따른 음향방출 신호 정보에 대한 분류 학습을 수행하는 단계
를 포함하고,
상기 파손기구를 탐지하는 단계는,
상기 새로운 신호 정보로부터 추출된 시간 정보에 대한 진폭, 유지시간, 최대 주파수, 에너지, 정규화 누적 에너지를 포함하는 복수 개의 음향방출 인자를 상기 분류 학습이 수행된 학습 모델에 입력하여 상기 혼성복합재료 구조물의 파손기구를 탐지하는 단계
를 포함하고,
상기 딥러닝 기반의 학습 모델은,
하이퍼파라미터(hyperparameter) 튜닝을 위해 설정된 학습데이터 수와 시험데이터 개수의 비율에 따라 복수 개의 노드와 복수 개의 레이어로 네트워크가 구성되고, 로지스틱 손실함수와 Relu 활성화 함수를 이용하여 학습 모델이 구축되어 파이썬(Python) 환경에서 ANN 기반의 Keras 딥러닝 알고리즘을 이용하여 군집화된 시간에 따른 음향방출 신호 정보로부터 파손기구를 분류하도록 반복적으로 학습된 것
을 포함하는 혼성복합재료 구조물의 파손기구 탐지 방법. In the failure mechanism detection method of the hybrid composite structure carried out by the failure mechanism detection system,
detecting signal information emitted from the hybrid composite structure;
performing clustering according to the identified breakage mechanism using the detected signal information;
inputting new signal information to the learned deep learning-based learning model to classify the breakage mechanism using the signal information of the cluster generated by performing the clustering; and
Detecting the failure mechanism of the hybrid composite material structure from the new signal information using the learned learning model
including,
The hybrid composite material structure,
It includes a single FRP material, or a bonded structure between an FRP material and a metallic material, and a bonded structure between different FRP materials,
The step of detecting the signal information,
As a lap shear test in which a load is increased in a preset unit using a tensile tester is performed, the hybrid composite material structure or the hybrid composite material structure using an acoustic emission sensor attached to the hybrid composite material structure obtaining an elastic wave emitted from the material constituting the
including,
The step of performing the clustering is,
Extracting a plurality of acoustic emission factor characteristics for the acoustic emission signal information including amplitude, holding time, energy, maximum frequency, and normalized cumulative energy according to time from the acquired acoustic wave, and extracting the plurality of acoustic emission factor characteristics Identifying the failure mechanism of the hybrid composite material or hybrid composite material structure based on the clustering, and linking the identified failure mechanism to the cluster generated by performing the clustering to database the signal information clustered according to the failure mechanism
including,
The step of inputting the new signal information includes:
Performing classification learning on the acoustic emission signal information according to the time at which the clustering was performed using a deep learning-based learning model built to classify the breakage mechanism
including,
The step of detecting the breakage mechanism,
A plurality of sound emission factors including amplitude, holding time, maximum frequency, energy, and normalized cumulative energy for time information extracted from the new signal information are input to the learning model in which the classification learning is performed, and Steps to detect breakage mechanism
including,
The deep learning-based learning model is
According to the ratio of the number of training data and the number of test data set for hyperparameter tuning, the network is composed of multiple nodes and multiple layers, and a learning model is built using a logistic loss function and Relu activation function to build Python ( Iteratively learned to classify the breakage mechanism from the clustered time-dependent acoustic emission signal information using the ANN-based Keras deep learning algorithm in the Python) environment.
A method of detecting a failure mechanism of a hybrid composite material structure comprising a.
상기 혼성복합재료 구조물은,
상기 혼성복합재료 구조물에서 변형 또는 파손이 예상되는 위치(관심이 되는 구조물/재료에 부착)에 음향방출 센서가 부착되는 것을 포함하고,
상기 군집화(clustering)를 수행하는 단계는,
상기 획득된 탄성파에 대한 단시간 퓨리에 변환(Short time furrier transform, STFT) 또는 고속 퓨리에 변환(Fast furrier transform, FFT)을 처리하여 시간에 따른 진폭, 유지시간, 에너지, 최대주파수 및 정규화 누적 에너지를 포함하는 음향방출 신호 정보에 대한 복수 개의 음향방출 인자 특성을 추출하는 단계
를 포함하는 혼성복합재료 구조물의 파손기구 탐지 방법. According to claim 1,
The hybrid composite material structure,
Including that an acoustic emission sensor is attached to a location (attached to a structure/material of interest) where deformation or damage is expected in the hybrid composite structure,
The step of performing the clustering is,
By processing the short time Fourier transform (STFT) or Fast furrier transform (FFT) on the obtained acoustic wave, amplitude, holding time, energy, maximum frequency and normalized cumulative energy according to time Extracting a plurality of acoustic emission factor characteristics for the acoustic emission signal information
A method of detecting a breakage mechanism of a hybrid composite material structure comprising a.
상기 탐지된 탄성파로부터 추출된 시간에 따른 복수 개의 인자를 이용하여 파손기구에 따라 군집화(clustering)를 수행하는 단계는,
상기 음향방출 신호 정보를 k-Means, Genetic k-Means, Fuzzy C-Means, SOM(Self-Organizing Map), GMM (Gaussian Mixture Model), 및 hierarchical model 중 어느 하나를 이용하여 군집화하는 단계
를 포함하는 혼성복합재료 구조물의 파손기구 탐지 방법. According to claim 1,
The step of performing clustering according to the breakage mechanism using a plurality of factors according to time extracted from the detected seismic wave,
Clustering the acoustic emission signal information using any one of k-Means, Genetic k-Means, Fuzzy C-Means, Self-Organizing Map (SOM), Gaussian Mixture Model (GMM), and a hierarchical model
A method of detecting a breakage mechanism of a hybrid composite material structure comprising a.
상기 군집화(clustering)를 수행하는 단계는,
상기 식별된 파손기구에 따라 군집화를 수행함에 따라 생성된 군집의 중심에서 x-y 좌표계에서의 거리, 유클리드 거리 또는 통계 및 확률적 거리를 포함하는 거리 정보, 시간에 따른 신호 정보를 데이터베이스화하는 단계
를 포함하는 혼성복합재료 구조물의 파손기구 탐지 방법. According to claim 1,
The step of performing the clustering is,
Databaseizing distance information including distance in the xy coordinate system, Euclidean distance or statistical and stochastic distance from the center of the cluster generated by performing clustering according to the identified breakage mechanism, and signal information according to time
A method of detecting a breakage mechanism of a hybrid composite material structure comprising a.
혼성복합재료 구조물을 구성하고 있는 재료로부터 방출되는 신호 정보를 탐지하는 신호 탐지부;
상기 탐지된 신호 정보를 이용하여 식별된 파손기구에 따라 군집화(clustering)를 수행하는 군집화부;
상기 군집화를 수행함에 따라 생성된 군집의 신호 정보를 이용하여 파손기구를 분류하기 위하여 학습된 딥러닝 기반의 학습 모델에 새로운 신호 정보를 입력하는 입력부; 및
상기 학습된 학습 모델을 이용하여 상기 새로운 신호 정보로부터 상기 혼성복합재료 구조물의 파손기구를 탐지하는 파손기구 탐지부
를 포함하고,
상기 혼성복합재료 구조물은,
단일 FRP 재료, 또는 FRP 재료와 금속재료간 접합된 구조, 이종 FRP 재료간 접합된 구조를 포함하고,
상기 신호 탐지부는,
인장시험기를 이용하여 기 설정된 단위로 하중이 증가되는 중첩전단시험(lap shear test)이 진행됨에 따라 상기 혼성복합재료 구조물에 부착된 음향방출 센서를 이용하여 상기 혼성복합재료 구조물 또는 상기 혼성복합재료 구조물을 구성하고 있는 재료에서 방출되는 탄성파를 획득하는 것을 포함하고,
상기 군집화부는,
상기 획득된 탄성파로부터 시간에 따른 진폭, 유지시간, 에너지, 최대주파수 및 정규화 누적 에너지를 포함하는 음향방출 신호 정보에 대한 복수 개의 음향방출 인자 특성을 추출하고, 상기 추출된 복수 개의 음향방출 인자 특성을 기반으로 혼성복합재료 또는 혼성복합재료 구조물의 파손기구를 식별하고, 상기 군집화를 수행하여 생성된 군집에 상기 식별된 파손기구를 연계하여 파손기구에 따라 군집화된 신호 정보를 데이터베이스화하는 것을 포함하고,
상기 입력부는,
파손기구를 분류하기 위하여 구축된 딥러닝 기반의 학습 모델을 이용하여 상기 군집화를 수행한 시간에 따른 음향방출 신호 정보에 대한 분류 학습을 수행하는 것을 포함하고,
상기 파손기구 탐지부는,
상기 새로운 신호 정보로부터 추출된 시간 정보에 대한 진폭, 유지시간, 최대 주파수, 에너지, 정규화 누적 에너지를 포함하는 복수 개의 음향방출 인자를 상기 분류 학습이 수행된 학습 모델에 입력하여 상기 혼성복합재료 구조물의 파손기구를 탐지하는 것을 포함하고,
상기 딥러닝 기반의 학습 모델은,
하이퍼파라미터(hyperparameter) 튜닝을 위해 설정된 학습데이터 수와 시험데이터 개수의 비율에 따라 복수 개의 노드와 복수 개의 레이어로 네트워크가 구성되고, 로지스틱 손실함수와 Relu 활성화 함수를 이용하여 학습 모델이 구축되어 파이썬(Python) 환경에서 ANN 기반의 Keras 딥러닝 알고리즘을 이용하여 군집화된 시간에 따른 음향방출 신호 정보로부터 파손기구를 분류하도록 반복적으로 학습된
파손기구 탐지 시스템.In the broken mechanism detection system,
a signal detector for detecting signal information emitted from a material constituting the hybrid composite structure;
a clustering unit configured to perform clustering according to the identified breakage mechanism using the detected signal information;
an input unit for inputting new signal information into the deep learning-based learning model learned in order to classify the breakage mechanism using the signal information of the cluster generated by performing the clustering; and
A breakage mechanism detector for detecting a breakage mechanism of the hybrid composite material structure from the new signal information using the learned learning model
including,
The hybrid composite material structure,
It includes a single FRP material, or a bonded structure between an FRP material and a metallic material, and a bonded structure between different FRP materials,
The signal detection unit,
As a lap shear test in which a load is increased in a preset unit using a tensile tester is performed, the hybrid composite material structure or the hybrid composite material structure using an acoustic emission sensor attached to the hybrid composite material structure Including obtaining an elastic wave emitted from the material constituting the
The clustering unit,
Extracting a plurality of acoustic emission factor characteristics for the acoustic emission signal information including amplitude, holding time, energy, maximum frequency, and normalized cumulative energy according to time from the acquired acoustic wave, and extracting the plurality of acoustic emission factor characteristics Identifying the failure mechanism of the hybrid composite material or hybrid composite material structure based on the clustering, and linking the identified failure mechanism to the cluster generated by performing the clustering to database the signal information clustered according to the failure mechanism,
The input unit,
Including performing classification learning on the acoustic emission signal information according to the time when the clustering is performed using a deep learning-based learning model built to classify the breakage mechanism,
The breakage mechanism detection unit,
A plurality of sound emission factors including amplitude, holding time, maximum frequency, energy, and normalized cumulative energy for time information extracted from the new signal information are input to the learning model in which the classification learning is performed, and detecting breakage mechanisms;
The deep learning-based learning model is
According to the ratio of the number of training data and the number of test data set for hyperparameter tuning, a network is composed of multiple nodes and multiple layers, and a learning model is built using the logistic loss function and Relu activation function to build Python ( In Python) environment, using the ANN-based Keras deep learning algorithm, iteratively learned to classify the breakage mechanism from the clustered time-dependent acoustic emission signal information.
Breakage mechanism detection system.
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Ferguson, Max, et al. "A STANDARDIZED REPRESENTATION OF CONVOLUTIONAL NEURAL NETWORKS FOR RELIABLE DEPLOYMENT OF MACHINE LEARNING MODELS IN THE MANUFACTURING INDUSTRY." (2019). |
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