Damage often causes a structure to exhibit severe nonlinear behaviors, and the resulting nonlinear features are much more sensitive to damage than their linear counterparts. Also in structural damage detection field, noncontact laser ultrasonic techniques have gained great popularity with their noncontact nature and high spatial resolution. This dissertation mainly aims at structural damage detection by taking advantages of both nonlinear ultrasonic and noncontact laser ultrasonic techniques. The detailed objectives are: (1) Nonlinear ultrasonic modulation with a wideband laser pulse input; (2) Nonlinear damage feature extraction from wideband ultrasonic responses; and (3) Numerical and experimental validation of the developed techniques.
When two distinct frequencies are applied on a target structure, nonlinear modulation (sideband) components are created due to nonlinear ultrasonic modulation mechanism at the existence of structural damage. However, the choice of two input frequencies needs to satisfy some binding conditions for nonlinear modulation generation and can be affected by environmental and operational variations of the target structure. Here, nonlinear ultrasonic modulation is extended by using a pulse laser as the driving signal. Nonlinear ultrasonic modulation can occur among multiple frequency peaks, which highly increases the chance for the binding conditions to be satisfied.
For extracting nonlinear features from the wideband ultrasonic responses, first, a sideband peak count (SPC) based damage detection technique is developed to analyze the nonlinearity caused by structural damage in the frequency domain. A nonlinear damage feature is defined by keeping track of the relatively weak spectral peaks generated due to damage induced nonlinearity. This SPC based technique is further optimized by operating SPC in the spectral correlation domain, which increases its sensitivity to damage and its robustness against noise interference. Second, a state space based damage detection technique is proposed by projecting the wideband response into a high-order state space and reconstructing its state space attractor. Another nonlinear damage feature is obtained by checking the geometrical variations of the reconstructed attractors. Moreover, to eliminate the influence caused by varying operational and environmental conditions, with a laser ultrasonic scanning system, a baseline-free damage detection technique is proposed by using the ultrasonic responses acquired from adjacent scanning points as references. Thus, damage can be detected and even visualized without relying on the baseline data obtained from the intact condition.
A multi-physics simulation scheme is developed for simulating laser-induced ultrasonic waves on aluminum plates and validating the proposed damage detection techniques with a simulated micro crack. The proposed damage detection techniques are also experimentally validated by detecting fatigue crack in an aluminum plate, delamination in a carbon fiber reinforced polymer (CFRP) plate, and delamination/ debonding in a glass fiber reinforced polymer (GFRP) wind turbine blade.
구조물에 발생한 손상은 구조물의 비선형 거동을 유발하며, 이러한 비선형 거동에 의해 발생하는 응답 특성은 선형 거동의 응답 특성보다 손상에 더욱 민감하다. 또한 비접촉식 레이저 초음파 기술은 비접촉식 작동으로 작동하고 높은 공간 분해능의 측정이 가능해 구조물 손상 감지 분야에서 각광 받고 있다. 본 학위논문에서는 비선형 초음파 기술 및 비접촉식 레이저 초음파 기술을 이용한 구조물 손상 감지 기술을 개발하고자 한다. 세부 개발목표는 (1) 광대역 펄스 레이저 입력 비선형 초음파 변조 기법, (2) 비선형 응답 특성 추출을 통한 손상 감지 기법 및 (3) 개발 기법의 수치/실험적 검증으로 이루어져 있다.
손상이 있는 구조물에 서로 다른 주파수의 두 입력 초음파 신호가 가해지게 되면, 비선형 거동에 의해 구조물 응답에서 비선형 변조 (측파대)가 발생한다. 그러나 측파대의 발생을 위해서는 입력 초음파 신호의 주파수들이 특정 생성 조건을 만족시켜야 하며, 이 조건은 대상 구조물의 환경 및 구동 조건에 영향을 받는다. 따라서 본 연구에서는 광대역 초음파를 생성하는 펄스 레이저를 입력 신호로 사용하여, 측파대 생성 조건에 대한 복잡한 고려 없이도 측파대가 발생할 수 있도록 했다.
광대역 초음파 입력에 의해 얻어진 구조물 응답에서 비선형 응답 특성을 추출하기 위한 두 가지 기법이 제안되었다. 먼저, 비선형 응답 특성을 주파수 영역에서 추출하기 위한 측파대 피크 카운팅 (SPC) 기반 손상 감지 기법을 개발하였다. 손상 비선형성에 의해 상대적으로 약한 스펙트럼 피크가 발생되며, 이를 파악하여 비선형 손상 특성을 정의하였다. 이를 스펙트럼 상관관계 영역에서 적용함으로써 손상에 대한 민감도 및 노이즈 간섭에 대한 견고성을 향상시키는 데 성공하였다. 다른 하나는 상태공간 기반의 손상 감지 기법으로, 측정된 광대역 응답을 고차원 상태공간으로 투사한 후 재구축된 상태공간 끌개의 기하학적 변화 확인을 통해 비선형 응답 특성 추출이 가능하다. 또한 레이저 스캐닝 시스템을 개발하여 인접 지점에서 얻은 비선형 응답 특성을 기저 데이터로 활용함으로써 환경 및 구동 조건 변화에 의해 발생하는 영향을 줄일 수 있으며, 이를 통해 정상 상태에서 수집한 기저 데이터 없이도 손상을 감지 및 시각화 할 수 있다.
개발된 손상 감지 기술의 성능은 마이크로 균열이 있는 알루미늄 평판에 대해 수치적으로 검증되었으며, 이 과정에서 레이저 유발 초음파 모사를 위한 다중 물리 시뮬레이션을 개발하였다. 또한, 알루미늄 평판의 피로균열, 탄소 섬유 강화 플라스틱 (CFRP) 평판의 박리 및 유리 섬유 강화 플라스틱 (GFRP) 풍력 발전기 블레이드의 박리/분리 손상 검출을 통해 제안된 손상 감지 기술의 성능을 실험적으로도 검증하였다.
