[학위논문]트러스형 주기적 다공질 금속 코어 샌드위치 판재 제조 및 구조적 특성 평가 Fabrication of a sandwich panel with truss PCM core and the evaluation of its structural performance원문보기
트러스형 주기적 다공질 금속은 기존의 발포금속에 비해 경량성, 에너지 흡수성, 열전달 특성이 우수하고 내부공간을 활용할 수 있는 장점이 있어, 항공기, 전기 자동차 등 미래형 수송기기류의 외장재 뿐만 아니라 열교환기용 열전달 매체, 방탄소재를 비롯한 민/군용 충격 에너지 흡수체 등 다양한 특성을 가진 기능성 소재로 광범위하게 활용될 수 있다. 주기적 다공질 금속은 적용분야별 요구특성에 맞게 맞춤형 설계가 가능하며, 최적의 형상을 설계하기 위해서는 단위셀의 기하학적 형상에 따른 기계적 특성 예측을 위한 해석모델 및 ...
트러스형 주기적 다공질 금속은 기존의 발포금속에 비해 경량성, 에너지 흡수성, 열전달 특성이 우수하고 내부공간을 활용할 수 있는 장점이 있어, 항공기, 전기 자동차 등 미래형 수송기기류의 외장재 뿐만 아니라 열교환기용 열전달 매체, 방탄소재를 비롯한 민/군용 충격 에너지 흡수체 등 다양한 특성을 가진 기능성 소재로 광범위하게 활용될 수 있다. 주기적 다공질 금속은 적용분야별 요구특성에 맞게 맞춤형 설계가 가능하며, 최적의 형상을 설계하기 위해서는 단위셀의 기하학적 형상에 따른 기계적 특성 예측을 위한 해석모델 및 유한요소해석기법이 요구된다. 또한, 복잡한 형상의 주기적 다공질 금속의 산업적 적용을 확대하기 위해서는 형상 자유도 향상을 위한 저비용 제조기술 및 이에 대한 특성평가기술이 요구되고 있다. 본 연구에서는 트러스형 주기적 다공질 금속의 산업적 적용을 위한 기초연구로 트러스 단위셀의 최적 형상 설계에서부터 3차원 트러스 구조 설계 및 제조, 이를 이용한 트러스 단위셀의 정적특성평가를 수행하였으며, 3점 굽힘하중하에서의 구조적 특성평가 및 등가해석기법에 대한 연구를 수행하였다. 피라미드, 사면체 트러스 단위셀의 정적 특성예측을 위해 유효강성 및 유효강도에 대한 해석적 모델을 유도하고, 이를 이용하여 다양한 요소각을 갖는 트러스 단위셀의 압축, 전단 하중 하에서의 기계적 거동을 해석적으로 분석함으로써 최적형상의 트러스 단위셀을 설계하기 위한 가이드라인을 제시하였으며, 유한요소해석을 통해 이를 검증하였다. 또한, 트러스형 주기적 다공질 금속 제조를 위한 ‘천공-인장’ 방법을 독자적으로 고안하여 제안함으로써 다양한 단면형상을 가지는 주기적 다공질 금속 코어 샌드위치 판재 제조를 위한 기반을 구축하였다. 다수개의 핀으로 구성되어 개별 핀의 높이 조절을 통해 다양한 단면형상을 가지는 트러스형 주기적 다공질 금속을 제조할 수 있는 다점 핀 금형을 도입하여, 평판 및 국부적인 단차가 있는 트러스 코어를 제조하였으며, 상•하 판재와의 브레이징 접합을 통해 샌드위치 판재를 제조하였다. 압축, 전단 실험을 통해 상대밀도 및 단위면적당 중량에 대한 기계적 특성을 분석하였으며, 그 결과 본 연구에서 제조된 샌드위치 판재는 기존 ‘천공-굽힘’방법 대비 동등이상의 우수한 정적특성을 나타냄과 동시에 2차원 그물망 형태의 천공 공정시 재료손실을 최소화할 수 있었다. 마지막으로 3점 굽힘실험을 통해 트러스 코어를 갖는 샌드위치 판재의 구조적 특성을 분석하였으며, 고전적인 빔 이론 및 유한요소해석을 통해 강도 및 강성을 예측하여 실험과 비교•분석하였다. 유한요소해석은 실제 트러스 형상을 그대로 모사한 해석모델과 동일형상의 반복적 패턴으로 구성된 3차원 트러스형 주기적 다공질 금속을 단위셀의 유효 물성을 갖는 육면체 등가 해석모델로 대체한 등가해석모델에 대한 3점 굽힘하중 하에서의 거동을 비교•분석함으로써 실부품 적용시 등가해석기법의 적용 가능성을 검토하였다. 트러스형 주기적 다공질 금속은 정형화된 내부구조의 반복적 패턴에 비강도•강성이 우수함과 동시에 다양한 기능성 재료로 활용될 수 있음에도 불구하고 현 제조공법으로는 형상자유도의 한계, 고가의 제조비용으로 인해 산업적 적용이 이루어지지 않고 있다. 본 연구에서는 새로운 제조 방법으로 다점 핀 금형을 이용한 '천공-인장' 방법을 제안하였으며, 상기 방법으로 제조된 트러스형 주기적 다공질 금속에 대한 다양한 정적하중하에서의 특성을 평가하여, 비교•분석함으로써 기존 방법의 문제점을 극복하고, 산업적 적용범위를 확대할 수 있는 가능성을 제시하였다.
트러스형 주기적 다공질 금속은 기존의 발포금속에 비해 경량성, 에너지 흡수성, 열전달 특성이 우수하고 내부공간을 활용할 수 있는 장점이 있어, 항공기, 전기 자동차 등 미래형 수송기기류의 외장재 뿐만 아니라 열교환기용 열전달 매체, 방탄소재를 비롯한 민/군용 충격 에너지 흡수체 등 다양한 특성을 가진 기능성 소재로 광범위하게 활용될 수 있다. 주기적 다공질 금속은 적용분야별 요구특성에 맞게 맞춤형 설계가 가능하며, 최적의 형상을 설계하기 위해서는 단위셀의 기하학적 형상에 따른 기계적 특성 예측을 위한 해석모델 및 유한요소해석기법이 요구된다. 또한, 복잡한 형상의 주기적 다공질 금속의 산업적 적용을 확대하기 위해서는 형상 자유도 향상을 위한 저비용 제조기술 및 이에 대한 특성평가기술이 요구되고 있다. 본 연구에서는 트러스형 주기적 다공질 금속의 산업적 적용을 위한 기초연구로 트러스 단위셀의 최적 형상 설계에서부터 3차원 트러스 구조 설계 및 제조, 이를 이용한 트러스 단위셀의 정적특성평가를 수행하였으며, 3점 굽힘하중하에서의 구조적 특성평가 및 등가해석기법에 대한 연구를 수행하였다. 피라미드, 사면체 트러스 단위셀의 정적 특성예측을 위해 유효강성 및 유효강도에 대한 해석적 모델을 유도하고, 이를 이용하여 다양한 요소각을 갖는 트러스 단위셀의 압축, 전단 하중 하에서의 기계적 거동을 해석적으로 분석함으로써 최적형상의 트러스 단위셀을 설계하기 위한 가이드라인을 제시하였으며, 유한요소해석을 통해 이를 검증하였다. 또한, 트러스형 주기적 다공질 금속 제조를 위한 ‘천공-인장’ 방법을 독자적으로 고안하여 제안함으로써 다양한 단면형상을 가지는 주기적 다공질 금속 코어 샌드위치 판재 제조를 위한 기반을 구축하였다. 다수개의 핀으로 구성되어 개별 핀의 높이 조절을 통해 다양한 단면형상을 가지는 트러스형 주기적 다공질 금속을 제조할 수 있는 다점 핀 금형을 도입하여, 평판 및 국부적인 단차가 있는 트러스 코어를 제조하였으며, 상•하 판재와의 브레이징 접합을 통해 샌드위치 판재를 제조하였다. 압축, 전단 실험을 통해 상대밀도 및 단위면적당 중량에 대한 기계적 특성을 분석하였으며, 그 결과 본 연구에서 제조된 샌드위치 판재는 기존 ‘천공-굽힘’방법 대비 동등이상의 우수한 정적특성을 나타냄과 동시에 2차원 그물망 형태의 천공 공정시 재료손실을 최소화할 수 있었다. 마지막으로 3점 굽힘실험을 통해 트러스 코어를 갖는 샌드위치 판재의 구조적 특성을 분석하였으며, 고전적인 빔 이론 및 유한요소해석을 통해 강도 및 강성을 예측하여 실험과 비교•분석하였다. 유한요소해석은 실제 트러스 형상을 그대로 모사한 해석모델과 동일형상의 반복적 패턴으로 구성된 3차원 트러스형 주기적 다공질 금속을 단위셀의 유효 물성을 갖는 육면체 등가 해석모델로 대체한 등가해석모델에 대한 3점 굽힘하중 하에서의 거동을 비교•분석함으로써 실부품 적용시 등가해석기법의 적용 가능성을 검토하였다. 트러스형 주기적 다공질 금속은 정형화된 내부구조의 반복적 패턴에 비강도•강성이 우수함과 동시에 다양한 기능성 재료로 활용될 수 있음에도 불구하고 현 제조공법으로는 형상자유도의 한계, 고가의 제조비용으로 인해 산업적 적용이 이루어지지 않고 있다. 본 연구에서는 새로운 제조 방법으로 다점 핀 금형을 이용한 '천공-인장' 방법을 제안하였으며, 상기 방법으로 제조된 트러스형 주기적 다공질 금속에 대한 다양한 정적하중하에서의 특성을 평가하여, 비교•분석함으로써 기존 방법의 문제점을 극복하고, 산업적 적용범위를 확대할 수 있는 가능성을 제시하였다.
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