이방성을 지닌 복합재료 판에서 램파의 전파특성 및 변형률과 군속도와의 관계

Abstract

Lamb wave는 판재를 따라 전파하는 파로서 종파와 횡파의 파수를 동시에 지니며 진행하는 파로서, 두께와 주파수에 따라 속도변화가 심한 분산특성을 갖는다. 비교적 먼거리를 전파하는 특성이 있으며, 판의 중심면에 대해서 대칭과 비대칭 진동을 하며 진행하는 파로 나누어 진다. 첫 번째 단절주파수 이하의 S0모드는 분산이 거의 없다고 알려져 있어, 이 모드를 이용하여 군속도와 위상속도와의 방향 차이 및 정확한 속도 측정을 위한 연구가 수행되어 왔다. 복합재료 판에서는 이론적으로 계산한 군속도와 실제 측정한 군속도가 서로 다르다. 이러한 현상은 등방성 재료에서는 파수 벡터와 에너지 벡터의 방향이 서로 같아 파가 원형으로 전파하지만, 이방성 재료에서는 파수와 에너지 벡터가 서로 방향이 달라 각도를 갖고 진행하는데서 기인한다. 이러한 재료에서는 위상속도의 역수인 slowness 선도를 이용하여 군속도의 크기와 방향을 교정하여야 하며, 교정한 군속도와 실제 측정군속도를 서로 비교한 결과, 일치함을 확인하였다. 재료가 인장하중을 받으면, 초음파 전파 속도가 증가하는 현상을 갖는데, 전파 속도는 재료의 탄성계수 및 밀도와 매우 밀접한 관계를 갖는다. 복합재료 평판에서 strain이 가해짐에 따라 Lamb wave 속도변화를 모사하기 위해서 일방향 복합재료 인장시험편에 변형율이 가해진 상태에서 초음파 전파 속도의 증가원인을 부피변화값을 고려하여 추정한 속도값을 비교한 결과, 거의 일치함을 확인하였다. 이 실험 결과는 향후 실제 구조물에 사용할 때 strain gage없이 저주파 초음파 펄서를 이용하여 초음파 속도를 측정함으로써 물성평가 및 운용중인 재료에 가해지고 있는 strain을 추정할 수 있는 연구에 활용될 수 있을 것으로 사료된다.