EMAT의 비접촉 거리 최대화를 위한 코일 형상 최적 설계

국문 초록 (Abstract)

비파괴 검사에 사용되는 대표적인 트랜스듀서인 압전소자는 접촉식 트랜스듀서로서 고온이나 표면상태가 좋지 않은 대상, 움직이는 물체에 대해서는 많은 한계를 지닌다. 이를 극복하기 위하여 비접촉 트랜스듀서인 EMAT(Eletromagnetic acoustic transducer)의 사용이 최근 활발히 연구되고 있지만 아직 EMAT의 신호의 세기가 불충분하고 비접촉거리도 1~2 mm 정도로 되어 있다. 따라서 본 연구에서는 EMAT의 비접촉거리를 최대한 늘리는 것을 목적으로 성능을 향상시키는데 초점을 맞추어 EMAT 설계를 하였다. EMAT의 설계는 2000년대 초반까지 실험과 시행착오 방식으로 설계를 하여 전형적인 틀에 벗어나지 못하였다. 본 연구에서는 EMAT의 음장을 유한요소법을 통하여 해석하고, 실험계획법과 메타모델 기반의 최적설계방법을 사용하여 체계적인 EMAT 설계 안을 제시하였다.
EMAT는 크게 자석과 코일로 구성된 간단한 구조로 되어 있는 기기이다. 여기서 코일의 형상에 따라 다양한 파장을 낼 수가 있다. 이 중 체적파용 EMAT는 로렌츠 힘을 기반으로 경주용 트랙형상의 코일(Racetrack coil)을 사용한다. 하지만 비접촉거리를 증가시킴에 따라 영구자석에 의한 자속밀도가 대상표면에서 약해질 뿐만 아니라, 방향의 균일성을 잃어버려 비접촉거리를 증가시키는 데에는 많은 어려움이 생긴다.
따라서 이를 해결하기 위해 경주용 트랙이 아닌 새로운 레이아웃인 8자 형상 코일을 제안하였으며, 기존 모델과 비교하였다. 또한 성능을 높이기 위해, 8자 코일의 형상을 변화시켜 검사 대상체에 발생하는 전단파가 높게 나오도록 하였고, 이를 목적함수로 잡아 최적설계를 수행하였다. 최적설계기법으로서는 메타모델을 이용한 최적화를 시행하였으며, 실험계획법으로는 OA(Orthogonal Array)기법을 사용하였다. 최적화 과정 중에 코일의 달라지는 형상으로 인하여 발생하는 전류의 변화를 정확히 계산하기 위하여 펄서와 EMAT 간의 임피던스 정합을 고려하였다. 이후 크리깅(Kriging)을 이용한 메타모델을 시행하여 최적화된 해를 찾아 기존의 모델과 8자 코일의 최적화된 모델의 전단파를 비교분석하였다. 최적설계 결과 얻은 8자 코일 EMAT는 기존의 경주용 트랙 형상 코일 EMAT에 비해 44.6% 큰 신호의 크기를 보임을 수치해석을 통하여 검증하였다. 따라서 최적화된 EMAT는 기존 EMAT 보다 더 큰 비접촉 거리(Lift-off)가 요구되는 비파괴 검사에 사용될 수 있다.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서 론 1
• 1. 1 연구 배경 및 필요성 1
• 1. 2 연구 내용 및 목적 5
• 1. 3 선행 연구 7
• 2. 이론적 배경 9
• 2. 1 EMAT 구현 원리 9
• 2. 2 EMAT 주요 요소 11
• 3. EMAT 수치해석 구축 및 해석 13
• 3. 1 지배방정식 13
• 3. 2 EMAT 수치해석 15
• 3. 2. 1 기존 EMAT 코일의 문제점 15
• 3. 2. 2 코일 형상 제안 16
• 3. 2. 3 임피던스 정합 17
• 3. 2. 4 EMAT 유한요소해석 20
• 3. 2. 5 EMAT 유한요소해석 결과 25
• 4. EMAT 최적 설계 28
• 4. 1 최적설계 문제 28
• 4. 2 설계 방법 30
• 4. 2. 1 실험계획법 30
• 4. 2. 2 크리깅모델 31
• 4. 3 최적설계 결과 33
• 5. 결론 36
• 참 고 문 헌 38
• ABSTRACT 40