In this study, a damage evaluation concept using the memory effect of metal-coated optical fiber sensors (MCOFSs) was proposed to evaluate impact-induced damages of composite structures.
Two kinds of MCOFSs, i.e., aluminum-coated (Al-coated) FBG sensors and tin-coated FBG sensors, were fabricated. For Al-coated FBG sensors, a finite element analysis (FEA) was performed to investigate the capability of producing residual strain. For tin-coated FBG sensors, the capability of producing residual strain as well as the tensile failure strength was examined by experiments. It was confirmed that the induced quantity of the residual strain by MCOFSs increased with an increase of the applied strain. Then, a theoretical model for surface bonded MCOFSs on host structures was proposed. The distributions of the permanently induced residual strain in the core of the MCOFS were calculated by analytical and numerical methods when external loads were applied to the host and subsequently removed. The results were verified by laboratory experiments using the Al-coated FBG sensors bonded on carbon fiber reinforced polymer (CFRP) composite specimens. The memory effect of the MCOFS was confirmed by presenting the relationship between the residual strains of the Al-coated FBG sensors and the maximum strains experienced by the composite specimens.
The effects of the material and geometric parameters of adhesive layers on the strain transfer coefficient, the residual strains, and the sensitivity coefficient of MCOFSs were investigated by a FEA, and the results were verified by laboratory experiments using the Al-coated FBG sensors. It was found that using a very soft adhesive with high non-linearity and plasticity should be avoided when` building MCOFS systems in actual situations. Moreover, small underlying adhesive thickness as well as short bonding length is favorable to achieve better performances. A response surface model among the system parameters was proposed based on the FEA using experimentally obtained material properties.
Two structural tests were performed to verify the feasibility of the damage evaluation concept using the memory effect of the MCOFS: quasi-static indentation tests and low-velocity impact tests for a CFRP composite plate with Al-coated FBG sensors and a cylindrical CFRP composite structure with tin-coated FBG sensors, respectively. A FEA considering a damage model based on a continuum damage mechanics was performed to validate the test results and investigate the impact-induced damages of composite structures. In both tests, the test results were consistent with the numerical results. It was clearly confirmed that the MCOFSs used in the structural tests showed the strain monitoring capability for composite structures. Moreover, the induced quantity of the residual strain by the MCOFSs increased with an increase of the impact energy and decreased with an increase of the distance between the impact point and the sensing position. In the case of the cylindrical composite structure, the burst pressure decreased with an increase of the quantity of the residual strain. These parametric correlations can be very useful to inversely evaluate the impact-induced damages and the burst pressure by referring to the induced quantity of the residual strains. Therefore, it was verified that the memory effect of MCOFSs can be used to evaluate the impact-induced damages of composite structures. Finally, the feasibility of the proposed damage evaluation concept was confirmed.
본 연구에서는 복합재 구조물의 충격에 의한 손상을 평가하기 위하여 금속 코팅된 광섬유 센서의 기억 효과 (memory effect)를 이용한 손상 평가 개념을 제안하였다.
두 종류의 금속 코팅 광섬유 센서 (알루미늄 코팅된 FBG 센서, 주석 코팅된 FBG 센서)를 제작하였다. 알루미늄 코팅된 광섬유 센서의 경우, 센서의 잔류 변형률 생성 능력을 확인하기 위해 유한 요소 해석 (FEA)을 수행하였다. 주석 코팅된 FBG 센서의 경우, 잔류 변형률 생성 능력 및 인장 강도를 실험적인 방법을 통하여 확인하였다. 금속 코팅 광섬유 센서로부터 유도되는 잔류 변형률의 양은 센서에 작용된 변형률이 커질수록 증가하였다. 모재 구조물 표면에 부착된 금속 코팅된 광섬유 센서에 대한 이론적 모델을 제시하였다. 모재에 외부 하중이 인가된 후 제거되었을 때, 금속 코팅된 광섬유 센서의 중심부에 발생되는 영구 잔류 변형률 분포를 이론적인 방법과 단계적 수치 기법을 이용하여 계산하였다. 알루미늄 코팅된 FBG 센서를 탄소 섬유 강화 플라스틱 (CFRP) 복합재 시편에 부착하여 검증 실험을 진행하였고, 결과를 검증하였다. 알루미늄 코팅된 FBG 센서로부터 유도되는 잔류 변형률 및 복합재 시편이 겪은 최대 변형률의 관계를 제시함으로써 금속 코팅된 광섬유 센서의 기억효과를 검증하였다.
접착제 층의 재료 및 기하학적 변수가 금속 코팅된 광섬유 센서의 변형률 전달, 잔류 변형, 민감도 계수 등에 미치는 영향을 알아보기 위해 유한 요소해석을 수행하였고, 이를 금속 코팅된 알루미늄 센서를 이용하여 검증하였다. 금속 코팅 광섬유 센서 시스템을 구축할 때 비선형성 및 소성 특성이 큰 무른 접착제의 사용을 피해야 하며, 작은 접착 두께 및 짧은 접착 길이가 우수한 성능을 나타냄을 확인하였다. 시스템 변수 간의 반응 표면 모델 (RSM)을 실험으로부터 얻은 재료 물성을 적용한 유한요소해석을 통해 제시하였다.
금속 코팅된 광섬유 센서의 기억효과를 이용한 손상 평가 개념의 가능성을 확인하기 위해 두 가지의 구조 시험 (1. 알루미늄 코팅 광섬유 센서를 적용한 복합재 평판에 대한 준 정적 압입 시험, 2. 주석 코팅된 광섬유 센서를 적용한 원통형 복합재 구조물에 대한 저속 충격 시험)을 진행하였다. 연속체 손상 역학 (CDM)에 기반한 손상 모델이 고려된 유한요소를 수행하여 시험 결과의 유효성을 확인하였고, 복합재 구조물의 충격 손상을 검토하였다. 시험 결과가 해석 결과와 매우 상응함을 확인하였다. 구조 시험에서 사용된 금속 코팅 광섬유 센서는 복합재 구조물의 변형률을 감시하는데 충분한 성능을 가짐을 확인하였다. 더하여, 금속 코팅된 광섬유 센서로부터 유도되는 잔류 변형률 양은 충격 에너지에 따라 증가하였으며, 측정 지점 (센서 설치 지점)이 커짐에 따라 감소하였다. 원통형 복합재 구조물의 경우, 파열 압력은 잔류 변형률의 양이 증가함에 따라 감소하였다. 이러한 변수간의 상관관계는 충격에 의한 손상 및 파열 압력을 잔류 변형률 값을 통하여 역으로 유추하는데 매우 유용하다. 따라서 금속 코팅 광섬유 센서의 기억 효과가 복합재 구조물의 충격 손상 평가에 이용될 수 있음을 검증하였고, 본 연구에서 제안된 손상 평가 기법의 적용 가능성을 확인하였다.
