This dissertation aims to study a rotational scanning method for nondestructive inspection of thick and curved composite structures based on laser ultrasonic. The rotational scanning method can solve the low signal-to-noise ratio problem induced by changes of stand-off distance and incidence angle between sensing laser and target structure when inspect a curved structure using laser generated bulk wave. Most of the curved surfaces are actually in the form of a complete circle or a part of circle. Based on the
geometric properties of the circle, all points of a circle have same distance from the center and tangential lines are perpendicular to the center, the rotational scanning method rotates the target structure around the center of curvature, and it makes possible to keep fully focused state and normal incidence throughout the curved inspection area.
The rotational scanning method was applied to the right-angle rounded corner section of a composite primary structure and the composite pressure vessel of a space launcher. In the inspection of right-angled round corner section, all artificial defects were detected and it was found that the same size of defects were detected differently according to their depth from the inspection surface. It was proven that this phenomenon was caused by the radial travel path of ultrasound waves owing to the rotational scanning. An inspection system for composite pressure vessels was set up based on the rotational scanning method. The system detected the defects induced by impact damages, and filament wound direction was also clearly observed. The inspection result was compared with the previous inspection result using guided wave laser ultrasonic system, and the comparison result showed that the previous inspection result underestimated the defect size. From these application results, it can be concluded that the rotational scanning method is a reliable method which can precisely inspect thick and curved composite structures.
본 연구에서는 후판 곡면 복합재 구조물의 검사를 위한 레이저 초음파 회전 스캐닝 기법을 연구하고 실제 구조물의 검사에 적용하였다. 회전 스캐닝 기법은 벌크파를 이용해 곡면을 검사할 때 발생되는 수신 레이저와 구조물간의 이격 거리 및 입사각의 변화에 따른 신호대 잡음비 감소를 해결할 수 있는 기법이다. 구조재 곡면 형상의 대부분은 실제로 하나의 완전한 원 또는 원의 일부로 구성되어 있다. 회전 스캐닝 기법은 원의 모든 점은 중심의 한 점으로부터 동일한 거리에 있고 모든 점에서의 접선은 중심과 수직을 이루는 성질을 바탕으로 피검사체를 곡면의 곡률 중심을 기준으로 회전시켜 레이저가 곡면의 검사면과 항상 동일한 거리를 유지하는 동시에 수직 입사와 반사를 가능하게 한다. 제안된 기법의 타당성을 평가하기 위해 내부에 감육 부위를 포함한 원통형 알루미늄 시험편을 제작하여 검사하였으며, 시험편 내부의 감육 부위를 매우 선명하게 탐지하였다.
항공기 주 구조물에서 많이 찾아볼 수 있는 둥근 직각 모서리 부위와 우주 발사체에서 연료저장 용기로 사용되는 복합재 압력용기를 대상으로 제안된 기법을 적용해 검사하였다. 둥근 직각 모서리 검사 결과 모든 인공결함을 탐지하였으며 결함 깊이에 따라 결함의 크기가 다르게 탐지되는 현상이 발견되었고, 이는 회전 검사에 따른 방사형 방향으로의 초음파 전파로 인해 발생하였음을 계산 결과와 탐지 결과와의 비교를 통해 확인하였다. 복합재 압력용기 검사를 위해 회전 검사 기법을 적용한 검사 시스템을 구성하였으며 검사 결과 충격 손상에 의해 발생한 결함은 물론 복합재의 적층 방향 역시 선명하게 탐지되었다. 검사 결과를 유도파 탐지 레이저 초음파 검사 장비를 이용한 기존 검사 결과와 비교하였으며, 비교 결과를 통해 기존 검사 결과는 결함의 크기를 과소평가하였음을 발견하였다. 이상의 적용 결과들을 통해 제안된 회전 스캐닝 기법이 두꺼운 곡면 복합재 구조물을 정밀하게 검사할 수 있는 신뢰성 있는 검사 방법이라고 결론지을 수 있다.
