Recently, adhesive bonding is considered as the excellent technique for the connection of the composite components of wind turbine blades. But, the more use of adhesive bonding method rise, the more frequency of adhesive failure increase. Of particular interest is that the greatest part of wind turbine blades failure is concerned with the adhesive failure, especially adhesive debonding and crack. Some researchers have studied debonding monitoring by using optical fibers, but they focused on the limited applications such as composite repair patches. Additionally, few studies have been reported on the debonding monitoring in thick adhesive layer with lots of voids, especially in wind turbine blades. In this study, FBG sensors embedded in adhesive layer, were used for debonding monitoring of wind turbine blades. However, unexpected split problems can occur, when FBG sensors are embedded in adhesive layer. Three embedding skills, PAC technique, Recoating technique, and Packaging technique, were proposed or applied to overcome unexpected troubles. The signal characteristics of the reflected spectra of FBG sensors for each technique were investigated, and PAC technique and Recoating technique, were considered as the suitable method for the embedding of FBG sensors. Meanwhile, two main experiments, Experiment A and B, were designed to verify the feasibility of FBG sensors for debonding monitoring, and the specimens were fabricated considering the position of sensors and the location of debonding. Three point bending tests, simulating the structural deformation of the specific parts of wind turbine blades, were carried out. PAC technique was applied to all specimens, and artificial debonding using release agent was applied for replicating real debonding. The strain changes of embedded sensors as well as the reflected spectra of FBG sensors were investigated, when the specimens were deformed. The signal characteristics such as peak splits, bandwidth changes, sudden strain changes, and etc. were monitored in real time to detect the moment and the existence of debonding. The effect of debonding location and sensor`s position was also examined. Finally, FEA using ABAQUS was carried out to compare with the experimental results. Two kinds of FEA models were analyzed according to the existence of debonding. The stress and strain values of FEA models were investigated. Moreover, the strain distributions in adhesive layer were compared with the experimental results, and good agreements were observed. Therefore, the feasibility of embedded FBG sensors for debonding monitoring was verified by both experimental and analytical approaches. The proposed embedded FBG sensors in adhesive layer should have great potential as tools for the SHM of wind turbine blades in real time while in service.
최근, 풍력 터빈 블레이드는 높은 에너지 효율을 달성하기 위해 크기가 점점 대형화 되고 있다. 복합재료는 높은 비강도 및 비강성으로 인해 대형화된 블레이드 제작에 매우 유용하게 사용되며, 복합재료 간의 결합은 대부분 접착제 접합 방식을 통해 이뤄진다. 복합재료와 접착제 접합 방식이 뛰어난 장점을 바탕으로 대부분의 대형 블레이드의 제작에 적용되지만, 블레이드의 손상과 파손은 여전히 존재한다. 특히, 접착분리(debonding)와 균열(crack)과 같은 접착제에 의한 손상은 풍력 터빈 블레이드의 파손에 가장 큰 부분을 차지한다. 본 연구에서는, 접착제 층에 매설된 FBG 센서를 이용하여 풍력 터빈 블레이드 손상 및 파손을 방지하고자 하였다. FBG 센서는 EMI에 대한 영향이 없고, 다중 센서, 작은 크기, 그리고 우수한 민감도 등의 장점과 가지며, 운용 구조물의 실시간 모니터링을 가능케 한다.
그러나, FBG 센서가 접착제 구조물에 매설될 때, 신호 갈라짐 현상(split problems)과 같은 심각한 문제가 발생한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 세가지 센서 매설 기법(PAC 기법, Recoating 기법, Packaging 기법)을 제안 혹은 접목하였다. 실제 블레이드 내부의 접착제 층에는 크고 작은 수많은 보이드(void)가 존재하는데, 이는 경화 중 FBG 센서 신호를 왜곡시키는 주요 요인이다. 따라서, 세가지 기법을 적용한 시편을 보이드의 영향을 고려하여 고안하였으며, 제작된 시편을 통해 신호 비교 실험을 진행하였다. FBG 센서의 신호를 인터로게이터(interrogator)를 통해 추적? 확인하였고, 매설 기법에 따른 신호 스펙트럼의 형상과 FWHM 값을 비교? 분석함으로써 PAC 기법과 Recoating 기법이 매설에 적합한 방법임을 확인하였다.
매설형 FBG 센서의 접착분리 모니터링 가능성을 확인하기 위해, 두 가지 주요 실험(Experiment A, Experiment B)을 센서 매설 위치 및 접착분리 발생 지점을 고려하여 고안하였다. 그리고 블레이드 내부 접착제 층의 변형 상태를 모사하기 위해 3점 굽힘 시험을 수행하였다. 또한 PAC 기법을 모든 시편에 적용하였다. 실제 접착분리 현상을 모사하기 위해, 이형제(Release agent)를 활용하여 인위적인 접착분리를 발생시켰다.
첫째, Experiment A는, FBG 센서가 접착분리 끝 단에 위치하는 시편으로 구성되었다. 구조물의 특정 상태를 모사하는, 초기 결점 요소를 가진 시편(시편 I0, I1), 실제 접착분리 현상을 모사하는 시편(시편 D0, D1), 그리고 대조 군으로서 결점 요소가 없는 시편(시편 H0, H1)을 센서 위치(계면에 매설, 계면으로부터 1mm 떨어진 곳에 매설)를 고려하여 고안? 제작하였다. 시편에 굽힘 하중이 가해질 때, 매설된 FBG 센서로부터 얻어진 신호 스펙트럼 형상과 접착제 층 내부의 변형률 상태를 비교? 분석하였다. 신호의 갈라짐, 대역폭 변화, 그리고 급격한 변형률의 증가 등을 관찰함으로써 FBG 센서의 접착분리 존재 및 분리 발생 시점에 관한 모니터링 가능성을 확인하였다. 그리고, 센서가 접착제 층과 복합재료 사이의 계면에 위치할 때, 접착분리에 의한 광섬유의 파손 가능성이 높음을 확인하였다.
둘째, Experiment B의 경우, 접착분리가 FBG 센서 사이에서 발생하는 시편으로 구성되었으며, 3점 굽힘 시험이 진행되었다. 접착분리 영역의 끝 단에서 발생하는 응력 집중 현상은 횡 방향의 심각한 균열을 유발하고, 이는 새로운 접착분리을 발생시킨다. 이러한 구조물의 손상 요인은 구조물 내부 변형률 분포에 급격한 변화를 초래한다. 이와 같이 구조물이 변형될 때, 센서의 신호 스펙트럼과 변형률을 실시간 모니터링 하였고, 이를 통해 FBG 센서가 접착분리 발생 지점과 일정 거리 이상 떨어져 매설된 경우에 대한 센서의 모니터링 가능성을 확인하였다.
한편, 상용 프로그램인 ABAQUS를 이용한 해석 결과와 실험 결과를 비교하였다. 접착분리 유무에 따른, 두 가지 유한요소해석(FEA) 모델을 고안?해석하여, 하중에 따른 구조물의 응력과 변형률 분포를 확인하였다. 실험(Experiment A의 시편 H1, D1, Experiment B의 시편)에서 얻은 결과와 모델 해석을 통해 얻은 변형률 변화를 비교?? 분석하였고, 근사함을 확인하였다.
따라서, 본 연구에서는 시편 단위의 실험을 포함한 실험적 접근 방법, 그리고 유한요소해석의 해석적 방법을 통해 풍력 터빈 블레이드의 접착제 층의 접착분리 모니터링에 관한 FBG 센서의 적용 및 실현 가능성을 검증하였다.
