음향방출기법을 이용한 알루미늄 접합 탄소섬유강화복합재료의 충격 파손 연구

Abstract

구조물의 경량화를 위해 다종소재가 복합적으로 적용되므로 이들 소재 간 접합에 따른 구조건전성 모니터링의 필요성이 증가하고 있다. 이에 따라 본 논문에서는 신호분석 기법을 이용해 접합소재의 정적 및 동적하중에 따른 알루미늄 접합 탄소섬유강화복합재료의 파손유형을 분류하고, 이를 바탕으로 접합소재에 발생한 손상의 정성적, 정량적 평가 연구를 수행하였다.

저속충격으로 발생하는 재료의 내부손상을 식별하기에 앞서 파손유형을 분류하기 위해 AE센서를 부착하여 3점굽힘시험을 수행하였다. 실험을 통해 획득된 고주파 음향방출신호는 머신러닝 기반의 K-Means 클러스터링을 시행하여 주파수 영역으로 군집화 하였고 주파수 영역에 따른 재료의 파손유형을 수지파손, 계면분리, 섬유파손으로 분류했다. 이를 토대로 낙하충격시험에서 획득된 음향방출신호의 탄성파를 세부성분으로 분석하여 손상 메커니즘과 연관된 신호특징을 추출하였으며, 손상유형에 따른 신호 특징을 분석하였다. 한편, 신호분석으로 접합소재의 분리현상 분석에 한계가 있어 유한요소해석을 수행했다. 제안된 해석모델은 예측값과 저속충격시험의 측정값을 비교하여 검증할 수 있었으며, 두 소재의 접합부에서 발생하는 계면 분리를 예측할 수 있었다.

본 연구에서 수행한 알루미늄 접합 탄소섬유강화복합재료의 저속충격손상의 정량적 평가를 도출하였다. 저속충격 조건에서 신호분석 및 유한요소해석을 통해 재료의 파손유형, 즉 수지파손, 계면분리, 섬유파손에 따른 정량적 수치를 도출할 수 있었고, 미시구조분석을 통해 확인할 수 있었다. 본 연구를 통해 제안된 저속충격손상의 정량적 평가방법은 접합재료로 구성된 구조물의 구조건전성 모니터링 기반기술로 활용될 수 있을 것으로 사료된다.|In this paper, the types of damage mechanism of aluminum jointed carbon fiber reinforced composite materials according to static and dynamic loads of multimaterials were classified using signal analysis. Based on this, a qualitative and quantitative evaluation study of damage mechanism to the multi-material was conducted. Prior to identifying the internal damage of the material caused by low-velocity impact, a 3-point bending test with an AE sensor was performed to classify the type of damage. The high-frequency acoustic emission signals obtained through the experiment classified the types of damage according to the frequency domain into matrix cracking, delamination, and fiber breakage. Based on this, the elastic wave of the acoustic emission signal obtained in the low-velocity impact test was analyzed as a detailed component to extract signal characteristics related to the damage mechanism, and the signal characteristics according to the damage type were analyzed. On the other hand, there is a limit to the analysis of the delamination phenomenon of the jointed material through signal analysis, so finite element analysis was performed. The proposed analysis model could compare and verify the predicted value with the measured value of the low-velocity impact test and predict the interface delamination occurring at the junction of the two materials. It is expected that the quantitative evaluation method of low-velocity impact damage proposed through this study can be used as a technology based on structure health monitoring of structures composed of multi-materials.