In general, composite materials have short plastic deformation ranges as well as low interlaminar shear and transverse tensile strength. Due to these reasons, undetectable damage such as delamination or matrix cracks easily occurs on the opposite side to the impact or inside the laminates. Such damage can degrade the mechanical properties of a structure, and there cause unexpected problems such as reduced life time or catastrophic failure. Moreover, internal damage cannot be easily detected by traditional NDTs (non-destructive tests), and impact events such as hailstones and bird strikes may occur frequently in operation. Thus, in order to secure high reliability and safety of composite aircraft structures, an in situ impact mon-itoring system with a built-in sensor network is highly demanded.
In this study, real-time impact localization algorithms for composite structures using FBG (fiber Bragg grating) sensors were suggested. Multiple FBG sensor heads were connected in one optical fiber line, and ul-trasonic signals induced by low velocity impact were captured by a commercial high speed FBG interrogator (SFI-710, Fiberpro Inc., Republic of Korea). Using such obtained signals, we proposed three types of impact localization algorithms: neural network training and database based methods. In order to apply the neural network algorithm, arrival time determination methods were suggested for input data because obtaining stable neural network inputs is indispensable. The arrival time determination methods were improved considering structural complexity and signal conditions. Next, database method for covering larger regions was developed. In this method, a database composed of FBG signals at all training points was firstly constructed. Then, by comparing obtained signals to all reference signals, an impact location could be determined. These suggested impact localization algorithms were verified from impact experiments under various operating environments.
For an effective impact monitoring, damage occurrence detection has to be included. From the time-frequency analysis such as STFT (short time Fourier transform) and wavelet transform, damage related fre-quency portions were searched, and possibility of damage detection was investigated. Finally, we developed the appropriate damage occurrence algorithms which could correctly estimate the damage onsets regardless of different impact energies.
From the above studies, we suggested several impact localization algorithms and impact damage oc-currence detection algorithms for composite structures. These suggested algorithms can be operated using the FBG signals from the commercial sensing system. Therefore, the results of this study can contribute to en-hance the applicability of fiber optic based impact monitoring techniques for composite structures.
복합재료는 높은 비강성, 비강도 및 우수한 피로특성 등을 가지고 있어 구조물의 경량화에 유리하기 때문에 항공우주구조물이나 지상의 운송수단 등에 적용이 활발하게 이루어지고 있다. 하지만 기계적, 열적, 물리적으로 이방성(anisotropy)을 가지고 있기 때문에 원하는 물성을 가지도록 구조물을 설계하기에는 좋으나, 설계에 따라 재료의 역학적 특성이 달라지고 파손 특성이 복잡해 진다는 단점도 가지고 있다. 또한 제조 공정에 따라 재료의 물성치의 편차가 발생할 수 있기 때문에 금속재료를 완전히 대체하기 위해서는 높은 신뢰성과 안전성의 확보가 필수적이다. 특히 복합재료는 횡방향 인장이나 층간 전단 강도가 매우 낮기 때문에 외부의 충격에 의해 층간 분리 등의 손상이 발생할 가능성이 높다. 이 같은 저속충격 손상은 복합재 내부에 발생하거나 반대편에 손상의 흔적을 남기기 때문에, 일정 시간 내에 발견하지 못하여 손상이 크게 진전될 경우 치명적인 사고를 유발할 수도 있다. 이러한 이유로 구조 건전성 감시 기법(structural health monitoring) 중의 하나인 충격 모니터링(impact monitoring)은 중요한 기술 중의 하나로 자리잡고 있으며, 복합재 구조물의 안정적인 운용 및 효율적인 유지 및 보수를 위해 필수적으로 인식되고 있다.
본 연구에서는 광섬유 브래그 격자(fiber Bragg grating, FBG) 센서 시스템을 이용하여 충격이 발생한 위치를 검출하고 실시간으로 손상 발생 유무를 예측하는 충격 모니터링 기법을 제안하였다. 기존의 연구에서 지적되는 실 구조물에 대한 적용성 문제를 해결하기 위해 상용 FBG 센서 계측 시스템을 선정하였고, 주파수 성능이 다소 제한적인 센서 신호를 이용하여 충격 모니터링에 적합한 신호 처리 기법을 제안하였다. 그리고 실제 상황에서 저속 충격은 항공기가 운행 중인 상태에서 발생할 가능성이 높기 때문에 실제 운행을 모사한 환경에서 제안한 충격 위치 검출 알고리즘의 적용성을 검증하였다.
먼저 충격 위치를 검출하기 위해서 데이터베이스 기반의 알고리즘을 제안하였다. 제안된 RMS 데이터베이스 방법은 충격 위치에 따른 센서 신호의 특성을 수치화하여 데이터베이스로 저장한 후, 역으로 이를 이용하여 충격 위치를 검출하는 원리로 개발되었다. 그리고 reference 데이터베이스 방법은 사전에 대상 구조물의 시험 영역에 놓인 학습 지점에 대해서 reference 신호를 데이터베이스로 구축하고 측정된 센서 신호와의 유사성을 평가하여 충격 위치를 검출하는 원리를 가지고 있다. 두 알고리즘을 복합재 보강 패널 시편, 실제 복합재 날개 구조물에 적용하여 그 성능을 검증하였고, 임의의 구조물에 적용할 수 있도록 가이드라인을 제시하였다.
제안한 충격 위치 검출 알고리즘은 실제 운행 환경을 모사한 환경에서 그 적용성을 검증하였다. 운행 환경은 정적 굽힘 하중, 진동 하중, 온도 변화 등으로 선정하였고, 복합재 보강 패널과 실제 복합재 날개 구조물을 이용하여 적용성을 검증하였다. 그 결과 제안한 데이터베이스 기반의 충격 위치 검출 알고리즘이 시험한 운행 환경 하에서 그 성능을 적절히 유지하는 것을 확인할 수 있었다. 운행 환경 하에서의 두 알고리즘의 결과를 비교하여 장단점을 분석하였고 학습에 걸리는 시간, 충격 위치 계산 시간, 시험 영역의 넓이 등으로 평가하여 정리하였다.
충격 파손 유무를 평가하는 알고리즘을 개발하기 위해서 복합재 평판 시편에 대해서 국부 파손 시험을 수행하였고, 측정한 센서 신호를 국부 푸리에 변환 기법에 적용하여 파손과 관련된 주파수 성분을 검출하였다. 그리고 실시간 데이터 처리를 위해서 웨이블릿 변환을 통해서 얻은 세부 성분 중에서 파손과 관련된 주파수 대역을 가지고 있는 성분을 확인하였다. 파손 관련 주파수 대역을 가진 세부 성분들을 이용하여 충격 파손을 실시간으로 검출하기 위한 손상 지수를 제안하였는데, 전체 신호에 대해서 세부 성분들이 차지하는 비율과 세부 성분들끼리의 성분비의 변화량이 실시간 충격 파손을 위한 손상 지수로서 활용될 수 있음을 보였다. 이상의 결과를 통해 주파수 성능이 제한적인 시스템으로부터 측정한 센서 신호로부터 충격 파손 유무를 검출하는 알고리즘을 제안할 수 있었다.
본 연구에서는 복합재 구조물의 안전한 운용과 효율적인 유지 및 보수에 필수적인 충격 모니터링 기법의 실 적용 가능성을 높이기 위해 상용화된 고속 FBG 센서 시스템을 이용한 충격 위치 검출 및 파손 유무 판단 기법의 개발을 수행하였다. 기존에는 고주파 신호 취득에서는 다중화가 불리하였던 FBG 센서의 단점을 극복한 상용 시스템을 이용하여 복합재 보강 패널 및 실제 복합재 날개 구조물에서의 충격 위치 검출에 성공하였고, 제안한 알고리즘을 실 운행 모사 환경에서 시험하여 적용성을 검증할 수 있었다. 또한 비교적 낮은 주파수 대역을 가진 신호로부터 파손 여부를 판단할 수 있는 신호 처리 기법을 국부 푸리에 변환 및 웨이블릿 변환과 같은 시간-주파수 분석 기법을 통해 제안할 수 있었다. 이는 실험실 단위에서는 수행이 가능하나 시스템 구성이 복잡했던 기존의 연구들에 비해서 매우 간단한 시스템 구성으로 수행 가능하기 때문에 향후 실 구조물로의 적용성이 높은 충격 모니터링 기법이라고 판단된다.
