Composites Research

The Korean Society for Composite Materials (한국복합재료학회)
권호 표지

Detection of High-Velocity Impact Damage in Composite Laminates Using PVDF Sensor Signals

고분자 압전 필름 센서를 이용한 복합재 적층판의 고속 충격 손상 탐지

  • 김진원 (충남대학교 대학원 항공우주공학과) ;
  • 김인걸 (충남대학교 항공우주공학과)
  • Published : 2005.12.01
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Abstract

The mechanical properties of composite materials may severely degrade in the presence of damage. Especially, the high-velocity impact such as bird strike, a hailstorm, and a small piece of tire or stone during high taxing, can cause considerable damage to the structures and sub-system in spite of a very small mass. However, it is not easy to detect the damage in composite plates using a single technique or any conventional methods. In this paper, the PVDF(polyvinylidene fluoride) film sensors were used for monitoring high-velocity impact damage initiation and propagation in composite laminates. The WT(wavelet transform) and STFT(short time Fourier transform) are used to decompose the sensor signals. A ultrasonic C-scan and a digital microscope are also used to examine the extent of the damage in each case. This research shows how various sensing techniques, PVDF sensor in particular, can be used to characterize high-velocity impact damage in advanced composite.

손상이 발생할 경우 복합재료의 기계적 물성치는 급격한 저하를 유발한다 특히, 조류충돌, 우박, 지상 이착륙 상황에서의 타이어 조각이나 돌조각 등과 같은 작은 질량에 의한 고속충격은 구조물과 서브시스템에 심각한 손상을 유발한다. 이런 복합재 적층판에서의 손상은 기존의 전통적인 방법으로 감지하기가 어려우며, 단일 감지 기술만을 이용하여 믿을 만한 손상평가 결과를 얻을 수 없다. 본 논문에서는 고분자 압전필름 센서를 이용하여 복합 적층판에서의 충격에 의한 손상의 개시 시점 및 확장을 탐지하였다. 획득한 센서신호는 시간-주파수 분석법인 웨이블릿 변환과 단시간 푸리에 변환을 적용하였으며, 초음파 C-scan과 전자현미경을 이용하여 시편에서의 손상 확장을 검사하였다 이 연구에서는 다양한 감지기술, 특히 고분자 압전 필름센서를 이용하여 복합재 적층판에서의 고속충격 손상 특성을 확인하였다.

Keywords

References

  1. S. Abrate, 'Impact on lamina composite materials,' Applied Mechanics Review, 1991, Vol. 44, No. 4, pp. 155-190 https://doi.org/10.1115/1.3119500
  2. C. Ruiz and J. Harding,'Modelling impact of composite structures using small specimens,' in Impact Behaviour of Fiber-reinforced Composite Materials and Structures(S.R. Reid nd G. Zhou, eds), Woodhead Publishing Ltd., 2000
  3. S. Abrate, Impact on composite structures, Cambridge University Press. 1998
  4. S. L. Gao and J. K. Kim, 'Scanning acoustic microscopy as a tool for quantitative characterisation of damage in CFRPs,' Composite Sci Technol, 1999, Vol. 59, pp. 345-54 https://doi.org/10.1016/S0266-3538(98)00086-4
  5. A. C. Okafor, A. W. Otieno, A. Dutta and V. S. Rao, 2001, 'Detection and characterization of high-velocity impact damage in advanced composite plates using multi-sensing techniques,' Composite Structures, Vol. 54, pp. 289-297 https://doi.org/10.1016/S0263-8223(01)00100-3
  6. Y. Tanabe, M. oki, K. Fujii, H. Kasano and E. Yasuda, 'Fracture behavior of CFRPs impacted by relatively high-velocity steel sphere,' Int. J. Impact Eng., 2003, Vol. 28, pp. 627-642 https://doi.org/10.1016/S0734-743X(02)00126-4
  7. 김인걸, 정석모, '전하증폭기를 사용하지 않은 고분자 압전센서 신호를 이용한 복합재 평판의 저속충격 탐지' 한국복합재료학회지, 제13권, 제6호, 2000, pp.47-54
  8. 박찬익, 김인결, 이영신, '압전필름센서를 이용한 복합재료 평판의 저속 충격 손상 개시 모니터링' 한국복합재료학회지, 제15권, 제2호, 2002, pp. 11-17
  9. 성대운, 오정훈, 김천곤, 홍창선, '웨이블릿 변환을 이용한 스마트 복합적층판의 충격 손상 검출 연구' 한국복합재료학회지, 제13권, 제1호, 2000, pp. 40-49
  10. D.E. Newland, Random vibrations, spectral & wavelet analysis, Longman Scientific & Technical.1993
  11. M. Misiti, Y. Misiti, G. Oppenheim and J.M. Poggi, Wavelet Toolbox For Use with $MATLAB^{circledR}$, The MathWorks Inc., 2002