KR950014740B1 - 복합 재료 구조물의 결함 검사방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

복합 재료 구조물의 결함 검사방법

제1도는 본 발명에 따른 복합 재료 구조물의 결합 검사방법의 개략적인 구성도이고,

제2a도는 구조물 내에 센서를 장착한 상태를 도시한 개략적인 사시도이고,

제2b도는 선형 탄성 영역에서의 하중-스트레인 곡선이고,

제3a도는 평면 변형시의 구조물 내의 변형 상태를 도시한 개략적인 사시도이고,

제3b도는 제3a도 상태에서의 하중-스트레인 곡선이고,

제4도는 센서 a와 b의 스트레인 미분치를 도시한 그래프이고,

제5도는 센서 a와 b의 스트레인 미분치에 따른 스트레인 변화량을 설명하는 그래프이고,

제6도는 층간 분리 결함에 따른 국부 버클링 시의 스트레인 값을 설명하는 그래프이고,

제7a도는 결함이 내재된 복합 구조물의 변형 상태와 각 센서의 위치를 도시한 개략적인 측단면도이고,

제7b도는 제7a도의 평면도 상에서 각 센서의 응답 특성 곡선을 도시한 설명도이고,

제8도는 제7b도에 도시한 센서의 응답 특성 곡선으로부터 계산한 구조물 내의 변형 상태를 도시한 설명도이고,

제9a도는 지상에 착륙 중인 비행기의 날개의 1요소에서의 하중 상태를 도시한 설명도이고,

제9b도는 비행 중인 비행기의 날개의 1요소에서의 하중 상태를 도시한 설명도이고,

제10도는 수중의 잠수함 동체에 가해지는 하중 상태를 도시한 설명도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 복합 구조물 2 : 센서 네트윅

3 : 센서부 4 : 제어부

5 : 결함 부위 6 : 날개

7 : 요소 8 : 구조물 동체

본 발명은 복합 재료 구조물의 결함 검사방법에 관한 것으로, 특히 복합 재료 구조물의 안전도 감시 및 결함 측정에 사용되는 유리 섬유 스마트 스킨 분야에서 유리 섬유 스테레인 센서의 3차원 네트웍(Net Work)을 사용하여 구조물의 결함을 효과적으로 검사할 수 있도록 된 복합 재료 구조물의 결함 검사방법에 관한 것이다.

복합 재료를 사용함에 따라 발생되는 구조적 결함을 통상 매트릭스 균열(Matrix Crack)과 균열의 일종인 층간 분리 결함(Delamination) 그리고 섬유 조직 절단(Fiber Breakage) 등으로 구분되고 있는 바, 그 중에서도 섬유 조직의 절단은 구조물의 파괴 직전에 가장 최종적으로 나타나는 최악의 상태이고, 그 이전에는 매트릭스 균열 또는 층간 분리 결함이 나타나게 된다.

여기서, 매트릭스 균열은 복합 재료의 특성인 치밀한 섬유 조직으로 그 균열의 전파 작용이 일정한 한계를 벗어나지 않기 때문에 층간 분리 결함에 비해 구조적으로 덜 위험하다고 볼 수 있고, 상기 층간 분리 결함은 작은 충격에 의해서도 쉽게 발생되고, 또 복합 재료의 구조상 이는 전체 구조에 걸쳐 전파될 수 있을뿐만 아니라 구조의 기계적 강성(Stiffness)을 변화시켜 예상치 못한 구조물의 변형 및 파괴를 초래할 수가 있는바, 이를 위해 복합 재료 구조물에서는 상기와 같은 복합 재료의 신뢰도 향상을 위하여 층간 분리 결함을 계속 측정하면서 감시하고, 또 그에 따른 변형까지도 감시할 필요가 있다.

종래 상기와 같은 층간 분리 결함을 측정하는 방법에는 비파괴 검사에 의한 검사방법이 많이 사용되고 있었으나, 이는 구조물 예컨대, 비행기나 잠수함, 우주선 등이 정지해 있을 때에만 측정이 가능하고, 또 정지해 있더라도 구조물을 분해하여 측정해야 하는 어려움이 있었다.

또한 균열에 의한 초음파 발생 및 수신 상의 이상 여부를 측정하거나 초음파의 구조 내 공명을 측정하여 결함을 탐지하는 방법이 계속하여 시도되고는 있으나, 초음파와 관련된 잡음 제거 및 해상력의 문제로 아직까지 효과적인 결함 검사방법으로는 널리 사용되지 않고 있는 실정이다.

최근 표면을 부식시켜 쉽게 절단될 수 있는 유리 섬유를 복합 재료 구조물 내에 묻어두고, 그 유리섬유의 절단 상태를 측정하여 결함을 탐지하는 방법이 제안되어 있는바, 이 방법은 균열의 전파 현상을 측정하는데는 효과가 있는 하나 구조물내의 층간 분리 결함을 계속 감시하는 방법으로는 적합하지 못하고, 또 짧은 게이지 길이를 가진 다수의 스트레인 센서를 구조물 내에 묻거나 부착시켜 변형 및 층간 분리 결함을 특정하는 방법이 제안되기도 하였는바, 이 방법은 가장 이상적인 방법이기는 하나 상당히 많은 스트레인 센서를 사용하여야 하기 때문에 스트레인 센서의 중복화(Multiplication) 등 특별한 기술 상의 개발이 필요하고, 또 각 센서에 대응되는 다수의 측정 장비를 갖추어야 하기 때문에 경제성 등의 문제로 현실적으로 사용하기에는 아직 문제가 있다.

이에 본 발명은 상기와 같은 제반 결점을 해결하기 위해 발명된 것으로, 구조물의 변형 및 결함을 계속적으로 감시하면서 검출할 수 있을 뿐만 아니라 그 결함의 위치ㆍ크기를 정확하게 판별해 낼 수 있도록 한 복합 재료 구조물의 결함 검사방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 유리 섬유로 된 간섭 또는 편광 센서를 구조물 내에 x,y,z축 방향으로 매설하여 3차원 네트웍을 구성하고, 상기 센서를 매개로 하여 하중 변화에 따른 스트레인 측정값의 변화량을 계산하여 이 스트레인 변화량을 상대 비교하여 결함의 유무와 이에 따른 구조물의 자체 변형을 계속 측정ㆍ감시할 수 있도록 되어, 정지 중인 복합 재료 구조물 뿐만 아니라 동작 중인 구조물에서의 변형이라던가 결함을 간단히 검출할 수 있도록 됨과 더불어 센서의 측정 값을 데이타화하여 통계적으로 결함 유무를 계속적으로 감시할 수 있어 복합 재료 구조물의 결함 검사 효율을 향상시킬 수 있도록 되어 있다.

이하 본 발명을 첨부한 예시 도면에 의거 상세히 설명한다.

본 발명은 제1도와 제2도에 도시된 바와 같이 복합 구조물(1)내에 장착되는 유리 섬유 스트레인 센서 네트웍(2)으로 이루어진 센서부(3)와, 계산 분석 및 통제를 담당하는 제어부(4)로 구성되고, 구조물(1)에 힘을 가하는 하중부(도시안됨)가 갖춰지는 바, 유리 섬유 스트레인 센서로는 마크젠더(Mach-Zehnder), 마이켈슨(Michelson), 패브리 패롯(Fabry-Perot)과 같은 상품명으로 사용되는 고감도의 간섭(Interferometric)센서와 해상도는 떨어지지만 쉽게 사용되어질 수 있는 편광(Polarimetric)센서를 들 수 있고, 최근 들어 게이지 길이가 아주 짧거나 스트레인 분포 자체를 측정할 수 있는 유리 섬유 센서들이 많이 개발되어지고 있다.

본 발명에서는 구조물의 길이와 같은 길이로 게이지 길이를 선정하거나 30.4cm 이상으로 게이지 길이가 긴 보편적인 편광 또는 간섭을 이용한 유리 섬유 스트레인 센서를 구조물에 묻는 방법을 채용하여 압축 응력에 대한 스트레인 변화를 측정한다.

여기서, 상기 x,y,z축 방향으로 배열된 3차원 네트웍(2)은 구조물에서 가장 짧은 쪽을 z방향으로 하고, 이와 수직되게 임의로 교차하는 두 축을 x,y로 하며, x,y간의 각도는 반드시 수직일 필요는 없이 유리 섬유 센서를 x축과 y축에 평행하도록 주기적으로 배열하여 2차원 네트웍을 만들고, z축 방향으로 2차원 네트웍에 평행한평면군들 내에 센서가 배열되도록 하는 한편, 또 상기 2차원 네트웍 내에서 같은 방향의 인접한 유리 섬유 센서의 거리는 x, y축 방향으로 각각 2.54cm 이상이고, 각 2차원 네트웍 간의 거리가 0.0254cm 이상으로 하는 것이 바람직하다.

또한, 구조물에 변형을 일으키기 위해서는 하중을 가해 주어야 하는바, 이때 구조물이 견딜 수 있는 최대치의 30% 이상 정도의 값의 변화를 주는 것이 바람직하고, 또 하중의 변화는 구조물 자체의 무게에 의하여 하중의 변화를 주는 방법과 외부의 압력에 의해 하중의 변화를 주는 방법을 사용한다.

정상적인 복합 재료 구조물에 있어서 탄성 영역에 대한 센서의 반응은 후크(Hooke)의 법칙에 따라,

S=P/A=Ee

P=EAe

de/dP=1/EA=상수

인 관계가 성립하는 바, 이때 P는 가해진 하중, A는 구조물의 단면적, S는 발생된 응력, E는 영률, e는 스트레인이다.

여기서, 미분치 de/dP는 제2도에 도시된 바와 같이 소정의 특정값, 즉 일정한 기울기를 가지게 된다.

그러나, 만일 제3a도에 되시된 바와 같이, 구조물(1)내에 결함 부위(5)가 생겨서 특별한 변형을 하게 될 경우, 센서(3a)는 결함에 의한 변형의 영향을 받지 않는 위치에 있게 되므로 하중 변화에 따른 스트레인은 제3b도에 a로 도시된 바와 같이 일정한 기울기를 갖는 직선이 됨과 더불어 또 제4도에서 a로 도시된 바와 같이 정상적인 상수 값의 미분치를 갖게 된다.

그러나, 제3a도에 도시된 바와 같이 결함 부위에 위치한 센서(3b)는 결함에 의한 변형의 영향을 받게 되므로

de/dP=1/EA

de/dP=f(P)

인 관계가 성립하는 바, 즉 미분치 de/dP는 응력의 함수가 되므로 제3b도에서 b로 도시된 바와 같이 하중이 커짐에 따라 직선적으로부터 벗어나게 되어 제4도에서 b로 도시된 바와 같은 곡선이 되게 된다.

이때 미분치(de/dP)를 계속해서 감시하고 있게 되면, 결함이 생기기 전에 축적되어진 1/EA의 값을 알 수 있게 되는바, 이때 그 값은 경우에 따라 다르겠지만, 예컨대 제3a도의 센서(3a)의 미분치의 기울기와 같다고 가정하면, 하중이 P₀에서 P까지 증가한 경우에 생기는 스트레인의 값 e_a는

가 되고, 이는 제5도에서 직선 a의 적분치가 되는 한편, 결함이 생겼을때 생기는 센서(3b)의 스트레인의 값 e_b는,

가 되고, 이는 제5도에서 곡선 b의 적분치가 된다. 따라서, 결함에 의해 실제로 생기는 스트레인의 변화치는

e=e_b-e_a

가 되고, 이는 제6도에서의 곡선 윗부분 즉, C로 표기된 부위의 넓이를 측정함으로써 e값을 구할 수가 있게 되며, 이 스트레인 변화치 e에 의해 3차원의 정확한 스트레인의 분포를 계산하여 변형의 정도 및 층간 분리 결함의 위치 즉, 표면으로부터의 깊이, 크기 또는 형태를 그 구조물이 파괴될때까지 계속 감시할 수 있게 된다.

즉, 상기와 같은 방식으로 구조물 자체의 길이가 게이지 길이와 같게 되거나 게이지 길이가 긴 스트레인 센서를 사용하여 이 센서들을 적절히 배열하고, 이 센서의 측정 값을 계산하여 스트레인 미분치의 분포 및 변형을 측정하였다. 여기서, 각 센서의 스트레인 미분치의 일례를 보면, 제3도와 제4도에 도시한 바와 같이 결함이 발생되지 않은 부위에 설치된 센서(3a)는 전혀 스트레인 미분치의 변화가 없고, 결함이 발생된 부위에 설치된 센서(3b)는 스트레인 미분치가 상수가 아닌 것을 알 수 있다.

또한, 제7a도에 도시한 바와 같이 2차원적으로 즉, x, y축 방향으로 배열된 센서 네트웍(2)을 갖춘 구조물(1)에 층간 분리 결함이 생겼을 경우, 각 센서의 하중 변화에 대한 응답 특성은 각각 제7b도의 상단과 우측에 각각 도시된 작은 그래프들과 같고, 이들 그래프에 따라 얻어진 데이타로부터 본 발명의 기술적 배경에서 설명되어진 미분치 및 스트레인 변화 값에 의하여 얻어진 센서 네트웍(2)의 결함 부위(5)의 변형의 정도가 제8도에 도시되어 있다.

그런데, 여기서 층간 분리 결함이 있다고 해서 반드시 변형이 생기는 것은 아니나 제8도에서와 같이 국부적인 버클링이 발생된 결함 부위(5)가 관찰된다면 반드시 층간 분리 결함이 있다고 볼 수 없고, 또 만일 센서 네트웍(2)이 z방향으로 여러 층이 구비되어 있다면 층간 분리 결함의 z방향쪽의 위치로 찾아낼 수 있게 된다.

그런데, 상기에서 설명된 바와 같은 층간 분리 결함에 의한 변형을 측정하는 것이 중요한 이유는 이 층간 분리 결함은 이러한 국부 버클링을 나타내는 변형이 있어야만 z방향의 응력이 발생하게 되고, 이에 따라 결함의 끝부분에 응력 집중 현상이 일어나 결함이 커지면서 성장하게 되나 변형이 없게 되면 결함은 성장하지 못하게 되고, 성장되지 않은 결함은 그다지 구조물에 크게 문제가 되지 않는다.

그런데 변형이 생기는 도중에 발생된 결함은 성장하여 커질 가능성이 있기는 하나 이러한 변형은 계속해서 체크할 수가 있기 때문에 센서에 의해 감시하고 있는 한 갑작스러운 구조물의 파괴를 막을 수가 있게 된다.

한편, 본 발명의 방법을 실제 구조물에 적용하려면 하중의 변화가 있어야만 이 하중 변화에 따른 스트레인 미분치를 측정할 수 있게 되는 바, 예컨대 비행기의 경우에는 제9a도에 도시한 바와 같이 비행기가 지상에 착륙해 있을때, 날개(6)의 상단부의 요소(7)에는 날개의 중량에 의해 인장 응력이 걸리게 되나, 공중을 비행할때는 날개(6)의 상단부의 요소(7)에는 비행기 동체의 자중에 의해 압축 응력이 걸리게 되므로 결국, 비행기의 이ㆍ착륙 시 날개 부분에 걸리는 하중에 변화가 생기게 되고, 또 비행기가 고도를 바꿀때나 속도를 바꿀때에도 역시 하중 변화가 생기게 되므로 그때마다 결함이 있는지의 여부를 검사할 수 있게 되며, 만일 결함이 있다면 그 크기가 어느 정도인지를 계속해서 측정할 수 있다.

이때 하중 변화는 직접 측정할 수 있으나, 구조물 내에 이미 스트레인 센서가 장차되어 있으므로 구조물내에 결함이 있는지 없는지, 또 센서가 장차된 부위에 결함이 발생되는지를 후크의 법칙에 의해 이에 가해지는 하중을 계산할 수 있고, 또 결함이 있게 되면 다수의 센서가 장착되어 있으므로 각 센서의 측정 값으로부터 통계적인 방법에 의하여 하중 변화를 쉽게 계산할 수 있게 된다.

한편, 잠수함의 경우에는 제10a도 및 제10b도에 도시된 바와 같이 물의 압력에 의해서 구조물 동체(8)에 압축 응력이 걸리는데, 물의 압력이 깊이에 따라 다르기 때문에 잠수함이 물속에서 위치를 바꿀때마다 구조물에 걸리는 하중이 달라지므로 각 센서의 측정 값을 이용하면 항해 중 잠수함의 구조물내의 결함을 계속 감시할 수 있게 된다.

이상의 설명에서와 같이 본 발명은 구조물 내에 유리 섬유로 된 스트레인 센서를 3차원 네트웍으로 구성하여 각 센서의 하중 변화에 대한 스트레인 변화량을 측정함으로써 정지 또는 동작 중인 구조물의 변형과 이에 따른 결함을 간단히 검출할 수 있음과 더불어 상기 측정 값을 통계적으로 처리하여 변형 및 결함의 형태, 위치를 계속적으로 감시ㆍ검사할 수 있도록 되어 복합 재료 구조물의 결함 검사 효율을 향상시킬 수 있도록 되어 있다.

Claims (5)

1. 복합 재료 구조물에 유기 섬유로 된 다수의 스트레인 센서를 매설하고 해당 구조물의 결함을 측정하는 방법에 있어서, 게이지 길이가 30.4cm 이상이거나 구조물 자체의 길이와 같은 게이지 길이로 된 간섭 센서 또는 편광센서로 이루어진 유리 섬유 스트레인 센서를 x,y,z축 방향으로 매설하여 3차원 네트웍을 구성하고, 하중 변화에 따른 스트레인 측정 값의 변화량을 상대 비교하여 결함의 유무와 그에 따른 구조물 자체의 변형을 계속 측정, 감시하도록 된 복합 재료 구조물의 결함 검사방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 x,y,z축 방향으로 배열된 3차원 네트웍은 구조물에서 가장 짧은 쪽을 z방향으로 하고, 이와 수직되게 임의로 교차하는 두 축을 x,y로 하며, x,y간의 각도는 반드시 수직일 필요는 없이 유리 섬유 센서를 x축과 y축에 평행하도록 주기적으로 배열하여 2차원 네트웍을 만들고, z축 방향으로 2차원 네트웍에 평행한 평면군들 내에 센서가 배열되어 이루어진 것을 특징으로 하는 결함 검사방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 2차원 네트웍 내에서의 같은 방향의 인접한 유리 섬유 센서의 거리는 x,y축 방향으로 각각 2.54cm 이상이고, 각 2차원 네트웍 간의 거리가 0.0254cm 이상인 것을 특징으로 하는 결함 검사방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 하중의 변화는 구조물이 견딜 수 있는 최대치의 30% 이상 정도의 값의 변화를 주는 것을 특징으로 하는 결함 검사방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 하중의 변화는 구조물 자체의 무게에 의하여 하중의 변화를 주는 방법과 외부의 압력에 의해 하중의 변화를 주는 방법을 포함하는 것을 특징으로 하는 결함 검사방법.