단일방향 섬유 복합재료 내의 초음파 전파 및 산란 현상의 해석과 시뮬레이션

Analysis and Simulation of Ultrasonic Wave Propagation and Scattering in Unidirectional Fiber Composites

복합재료의 초음파검사는 매직의 탄성이방성으로 인해 빔스큐(beam skew)현상 등이 발생하기 때문에 등방성 재료의 검사에 비해 훨씬 어렵다. 그 동안의 많은 연구의 결과로서 이방성 재료 네 탄성파의 전파 현상에 대한 해석해법이 정립되어 있으나, 그 해석해가 매우 복잡하여 실제 문제의 해를 구하기 위해서는 수치적인 방법에 의존하여야 하는 경우가 많다. 본 연구에서는 횡등방 이방성(transversely isotropic)으로 가정할 수 있는 단일방향 섬유 복합재료 내 점원에 의한 초음파 전파의 해석해를 먼저 구하고, 이러한 복합재료를 질량-스프링 모델로 모델링하여 해석해에 상응하는 수치해를 구하였다. 그 결과, 초음파의 전파에 대한 수치해와 해석해가 매우 잘 일치하는 것을 확인하였다. 동일한 수치해석법을 사용하여 초음파가 복합재료의 자유표면에서 반사되는 현상과 균일에 의해 산란되는 현상에 대한 수치해도 구하였으며 그 결과를 파동역학의 관점에서 고찰하였다. 본 연구에서 그 유효성이 확인된 수치 모델은 복합재료의 초음파검사를 시뮬레이션 함에 있어 매우 유용하게 사용될 수 있을 것이다.

Ultrasonic testing of composite materials is much more difficult than that of isotropic materials, because of the beam skew phenomenon caused by their elastic anisotropy. An established analytical method exists for elastic wave propagation in anisotropic media as a result of previous research efforts. Yet, due to the complexity of the analytical method, solution of real problems must resort to the numerical method. In this work, analytical solutions have first been obtained for the wavefield due to a point source in a unidirectional fiber-reinforced composite, which may be modeled as transversely isotropic. Then, the corresponding numerical solutions have been obtained using the mass-spring lattice model(MSLM). The two solutions have agreed well with each other. Other problems such as reflection from free boundaries and scattering from cracks have also been solved numerically, and the results have been investigated from the viewpoint of wave mechanics. The numerical model whose validity has been confirmed by this work will be of great use in simulating ultrasonic testing of composite materials.