[논문]차체구조부재용 알루미늄 CFRP 혼성사각부재의 축 압궤 특성

이길성; 차천석; 편석범; 양인영; 심재기

doi:10.3795/ksme-a.2005.29.10.1329

차체구조부재용 알루미늄 CFRP 혼성사각부재의 축 압궤 특성
Axial Collapse Characteristics of Aluminum CFRP Compound Square Members for Vehicle Structural Members 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.29 no.10 = no.241, 2005년, pp.1329 - 1335

이길성 (조선대학교 대학원 기계설계공학과) , 차천석 (순천대학교 기계자동차공학부) , 편석범 (동강대학 소방안전관리과) , 양인영 (조선대학교 기계설계공학과) , 심재기 (조선대학교 기전공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

An aluminum or CFRP (Carbon Fiber ReinfDrced Plastics)is representative one of light-weight materials but its axial collapse mechanism is different from each other. The aluminum member absorbs energy by stable plastic deformation, while the CFRP member absorbs energy by unstable brittle failure with higher specific strength and stiffness than those in the aluminum member. In an attempt to achieve a synergy effect by combining the two members, aluminum CFRP compound square members were manufactured, which are composed of aluminum members wrapped with CFRP outside aluminum square members with different fiber orientation angle and thickness of CFRP, and axial collapse tests were performed fur the members. The axial collapse characteristics of the compound members were analyzed and compared with those of the respective aluminum members and CFRP members. Test results showed that the collapse of the aluminum CFRP compound member complemented unstable brittle failure of the CFRP member due to ductile characteristics of the inner aluminum member. The collapse modes were categorized into four modes under the iuluence of the fiber orientation angle and thickness of CFRP. The absorbed energy Per unit mass, which is in the light-weight aspect was higher in the aluminum CFRP compound member than that in the aluminum member and the CFRP member alone.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구에서는 경량화용 강도부재를 개발하기 위하여 알루미늄 부재의 외면을 탄소섬유 강화복힙.재 (Carbon Fiber Reinforced Plastics: 이하 CFRP라고 한다.

제안 방법

그리고 알루미늄 부재와 CFRP 부재의 압궤실험을 행하여 혼성부재와 비교 평가하였다. 특히, 이방성 재 료인cfrpE설계변수로 두께와 적층각의 변화 에 따른 축 압궤 특성을 고찰하였다.
1 과 같이 CFRP 부재의 제작에 사용된 것과 동일한 프리프레그 시트로 적층하여 오토클레이브를 사용하여 성형하였다. 또한, CFRP 적층각과 두께가 압궤 특성에 미치는 영향을 고찰하기 CFRP 적층각을 [+饥/-@小로 하였다. 여기서 적층각 &는 15°, 30°, 45°, 60°, 75°, 90°, 0°/90°, 90°/0°로 하였으며, 두께는 4ply(n=l, 약 0.
또한, 시험편 압궤길이는 전체길이 (120mm)의 50% (60mm)까지 축 방향으로 변위를 제어하면서 연속적으로 압궤실험을 행하였다.
만능재료시험기 (Instron 4206-001, 15Ton)를 사용하여 10mm/min의 변형률 속도로 제어하여 균일한 압축하중이 가해지도록 준정적 압궤 실험을 행하였다. 또한, 시험편 압궤길이는 전체길이 (120mm)의 50% (60mm)까지 축 방향으로 변위를 제어하면서 연속적으로 압궤실험을 행하였다.
본 논문에서의 기하학적 치수를 갖는 알루미늄 부재는 축대칭모드를 이루면서 안정 적 인 소성변형에 의해서 에너지를 흡수하였으며, CFRP 부재는 접힘 압궤모드를 이루면서 취성파괴에 의해서 에너지를 흡수하였다.
5mm), 8ply(n=2), 12ply(n=3), 16ply(n=4)로 변화를 '주었다. 시험편 길이는 오일러 좌굴을 일으키지 않고 실험 시 압궤가 수 주기 반복하여 나타나는데 충분한 길이인 120mm로 하여 잔류응력이 발생하지 않도록 다이아몬드 커터를 이용하여 절단하였다.
알루미늄 부재와 CFRP 부재의 압궤 특성을 기초로 하여 알루미늄 부재의 외측을 CFRP로 강화시킨 혼성부재를 제작하여, CFRP의 적층각과 적층 두께의 변화에 따른 축 방향 압궤실험을 행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
또한, CFRP 적층각과 두께가 압궤 특성에 미치는 영향을 고찰하기 CFRP 적층각을 [+饥/-@小로 하였다. 여기서 적층각 &는 15°, 30°, 45°, 60°, 75°, 90°, 0°/90°, 90°/0°로 하였으며, 두께는 4ply(n=l, 약 0.5mm), 8ply(n=2), 12ply(n=3), 16ply(n=4)로 변화를 '주었다. 시험편 길이는 오일러 좌굴을 일으키지 않고 실험 시 압궤가 수 주기 반복하여 나타나는데 충분한 길이인 120mm로 하여 잔류응력이 발생하지 않도록 다이아몬드 커터를 이용하여 절단하였다.
연구방법으로는 알루미늄 부재의 외면을 CFRP 로 감싸 적층하여 강화시킨 혼성부재를 직접 가공하여 준정적 축 압궤실험을 행하였다. 그리고 알루미늄 부재와 CFRP 부재의 압궤실험을 행하여 혼성부재와 비교 평가하였다.
그리고 알루미늄 부재와 CFRP 부재의 압궤실험을 행하여 혼성부재와 비교 평가하였다. 특히, 이방성 재 료인cfrpE설계변수로 두께와 적층각의 변화 에 따른 축 압궤 특성을 고찰하였다.

대상 데이터

대표적인 경량화 재료인 알루미늄과 CFRP가 실제 차량의 구조부재의 재료로 사용될 것을 상정하여, 알루미늄 부재, CFRP 부재 그리고 혼성 부재를 시험편으로 사용하였다. 알루미늄 부재는 두께 1.
시험편으로 사용하였다. 알루미늄 부재는 두께 1.0mm, 외측의 한 변의 길이가 30mm인 정사각형 단면의 6063-T5 계열의 압출재를 사용하였으며, 알루미늄의 기계적 성질을 Table 1에 나타냈다.
알루미늄 부재의 외면을 탄소섬유 강화복힙.재 (Carbon Fiber Reinforced Plastics: 이하 CFRP라고 한다.)로 강화시킨 혼성부재 형태의 강도 부재를 제시하였다. 알루미늄 부재는 안정적인 접힘(국부좌굴)을 이루며, CFRP 부재는 비강도, 비강성이 우수하면서 이방성을 갖고 있어서, 이 두 재료의 결합에 의해 서로의 장점에 대한 상승(시너지)효과를 기대할 수 있을 것으로 생각된다.
혼성부재는 알루미늄 사각부재의 외측을 Fig. 1 과 같이 CFRP 부재의 제작에 사용된 것과 동일한 프리프레그 시트로 적층하여 오토클레이브를 사용하여 성형하였다. 또한, CFRP 적층각과 두께가 압궤 특성에 미치는 영향을 고찰하기 CFRP 적층각을 [+饥/-@小로 하였다.

성능/효과

(1) 혼성부재는 내부 알루미늄 부재의 압궤의 영향으로 CFRP 부재의 취성파괴의 단점을 보완하여 비교적 안정적인 압궤모드를 보였다. 혼성 부재는 4가지 대표적인 압궤모드를 보였는더], 압궤모드가 에너지흡수 특성을 나타내는 효과적인 척도가 되었다.
(2) 단위체적당 흡수에너지는 알루미늄 부재와 혼성 부재가 비슷하게 CFRP 부재에 비하여 높았다. 그러나 경량화 차원에서 본, 단위질량당 흡수에너지는 혼성 부재가 알루미늄 부재와 CFRP 부재에 비하여 높았다.
(3) 혼성부재는 CFRP 적층각이 클수록 에너지 흡수에 유리한 특성을 보였다. 즉, 적층각이 75。, 90。에서 효과적인 에너지흡수 특성을 보였다.
(4) 혼성부재는 CFRP의 두께의 증가에 따라 접힘 길이가 커지면서 안정적으로 압궤되며 효과적인 압궤 특성을 보였다.
5와 같이단위질량당 흡수에 너지는 알루미늄 부재가 초기에 CFRP 부재에 비하여 높은 값은 갖지만 압궤가 진행되면서 비슷한 값을 갖는다. 특히, 혼성 부재의 단위질량당 흡수에너지가 알루미늄 및 CFRP 부재에 비하여 안정적으로 높게 나타났다. 이는 사이드부재와 같은 축 하중을 받는 부재에 혼성 부재를 사용할 경우 안정적이며 경량화 효과가 크다는 것을 의미한다.

후속연구

알루미늄 부재는 CFRP 부재에 비 하여 압궤 하중은 낮으나 안정 적 인 소성변형 에의해 에너지를 흡수하고, (이。) CFRP 부재는 알루미늄 부재에 비하여 압궤하중은 높으나 불안한 취성파괴에 의해서 에너지를 흡수한다. 釘~”)따라서 알루미늄과 CFRP 부재의 단점을 상호 보완하고, 각 부재의 장점이 결합하여 효과적인 구조부재의 특성을 발휘할 것이라 생각된다.

참고문헌 (15)

White, M. D. and Jones, N., 1999, 'Experimental Quasi-Static Axial Crushing of Top-Hat and Double-Hat Thin-Walled Sections,' International Journal of Mechanical Science, Vol. 41, pp. 179-208

상세보기
White, M. D., Jones, N. and Abramowicz, W., 1999, 'A Theoretical Analysis for the Quasi-Static Axial Crushing of Top-Hat and Double-Hat Thin-Walled Sections,' International Journal of Mechanical Sciences, Vol. 41, pp. 209-233

상세보기
Cha, C. S., Chung, J. O., Park, J. W., Kim, Y. N. and Yang, I.Y., 2003, 'Collapse Analysis of Spot Welded Thin Section Members in a Vehicle Body Structure at Various Impact Velocities,' KSME International Journal, Vol. 17, No. 4, pp. 501-510
Cha, C. S., Kang, J. Y. and Yang, I. Y., 2001, 'Axial Impact Collapse Analysis of Spot Welded Hat Shaped Section Members,' KSME International Journal, Vol. 15, No. 2, pp. 180-191
Cha, C. S., Kim, Y. N., Kim, S. K., Im, K. H. and Yang, I. Y., 2002, 'Axial Impact Collapse Analysis of Spot Welded Hat and Double-Hat Shaped Section Members Using an Explicit Finite Element Code,' KSME International Journal, Vol. 16, No. 1, pp. 32-38
Kim, S. K., Im, K. H., Kim, Y. N., Park, J. W., Yang, I. Y.and Adachi, T., 2003, 'On the Characteristics of Energy Absorption Control in Thin-Walled Members for the Use of Vehicular Structures,' Key Engineering Materials, Vols. 233-236, pp. 239-244

상세보기
Li, S. and Reid, S. R., 1990, 'Relationship Betweenthe Elastic Bucking of Square Tubes and Rectangular Plates,' International Journal of Applied Mechanics, Vol. 57, pp. 969-973

상세보기
Minoru, Y., Manabu, G. and Yasuhiko S., 2003, 'Axial Crush of Hollow Cylindrical Structures with Various Polygonal Cross-Sections Numerical Simulation and Experiment,' Journal of Materials Processing Technology, Vol. 140, pp. 59-64

상세보기
Singace, A. A., 1999, 'Axial Crushing Analysis of Tubes Deforming in the Multi-Mode,' International Journal of Mechanical Science, Vol. 41, pp. 865-890

상세보기
Avalle, M. and Belingardi, G., 1997, 'Experimental Evaluation of the Strain Field History During Plastic Progressive Folding of Aluminum Circular Tubes,' International Journal of Mechanical Science, Vol. 39, No.5, pp. 575-583

상세보기
Mamalis, A. G., Manolakos, D. E., Ioannidis, M. B. and Papapostolou, D. P., 2004, 'Crashworthy Characteristics of Axially Statically Compressed Thin-Walled Square CFRP Composite Tubes: Experimental,' Composite Structures, Vol. 63, pp. 347-360

상세보기
Kim, Y. N., Cha, C. S. and Yang, I. Y., 2002, 'The Experimental Study on the Collapse Mechanism of CFRP Composite Tubes,' Transactions of the KSAE, Vol. 10, No. 4, pp. 149-157

원문보기 상세보기
Farley, G. L., 1992, 'Relationship Between Mechanical-Property And Energy-Absorption Trends for Composite Tubes,' NASA Technical paper, OMB No. 0704-0188
Kim, Y. N., Im, K. H., Kim, S. K. and Yang, I. Y., 2003, 'Energy Absorption Characteristics of CFRP Composite Tubes Under Axial Compression Load,' Key Engineering Materials, Vols. 233-236, pp. 245-250

상세보기
Kim, Y. N., Hwang, J. J., Baek, K. Y., Cha, C. S. and Yang, I. Y., 2003, 'Impact Collapse Characteristics of CF/Epoxy Composite Tubes for Light-Weights,' KSME International Journal, Vol. 17, No. 1, pp. 48-56

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증