[논문]섬유금속적층판의 경화 시 발생하는 열 잔류응력에 관한 연구

김세영; 최원종; 박상윤; 문초록

doi:10.5139/jksas.2005.33.6.039

[국내논문] 섬유금속적층판의 경화 시 발생하는 열 잔류응력에 관한 연구
Thermal residual stress behavior in fiber metal laminates 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.33 no.6, 2005년, pp.39 - 44

김세영 (한국항공대학교 항공재료공학과) , 최원종 (한국항공대학교 항공재료공학과) , 박상윤 (한국항공대학교 항공재료공학과) , 문초록 (한국항공대학교 항공재료공학과)

초록
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섬유금속적층판(Fiber Metal Laminates, 이하 FML)에서 알루미늄과 유리섬유/에폭시 복합재료 사이의 열팽창 계수의 차이는 경화공정 시 FML내부에 열 잔류응력을 남기게 되며, 이러한 열 잔류응력은 FML의 피로특성과 항복강도에 영향을 주게 된다. 잔류응력을 예측하기 위해 두 가지 실험법이 제안 되었으며, 이론식을 통해 그 결과를 예측하고, 실제 실험을 수행하여 그 값을 확인 하였다. 또한, 열 잔류응력의 제거 및 응력의 역전을 위하여 후-인발 가공이 수행 되었으며, 가공 이후 발생한 FML내의 잔류응력이 측정 되었다. 예측된 열 잔류응력 결과와 실험을 통한 값이 일치함을 보이며, 후-인발 가공을 통하여 열 잔류응력 제거 및 항복강도의 증가가 발생하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Due to mismatch of thermal expansion coefficients between aluminum sheet and glass/epoxy sheet, thermal residual stresses generally appear in the FML. These stresses will affect the yield and fatigue strength of the FML. The numerically determined residual stresses in the Fiber-Metal-Laminates(FML) have been compared to the residual stresses measured from the curvature and tensile test methods. These two experimental methods have been developed for assessing the influence of residual stress in FML. Post-stretching process has been applied to remove the thermal residual stress and reverse the stress distribution. After post-stretching process, the residual stress has been measured from experiments. The results obtained show that analytical and experimental data are well agreed. The thermal residual stress can be removed by post-stretching process and it will increase the yield strength of FML.

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AI 본문요약
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문제 정의

C Van Hengel(2) 에 의해 알루미늄과 복합재료의 잔류웅력이 연구되었으며, 다양한 방법의 잔류 응력 측정이 이루어 졌지만, 대부분의 방법이 복잡하고 비용이 많이 드는 단점을 지니고 있었다. 본 연구에서는 FML의 기본적인 특성을 파악하기 위하여 기존의 고전 적층 이론을 이용하여 초기 경화 시에 발생하는 열 잔류웅력을 계산함과 동시에 실제잔류웅력을 새로운 방법으로 측정하였으며, 이러한 잔류웅력을 제거하기 위한 후-인발 공정 (Post-stretching)을 실시하여 그때의 잔류응력 상태를 파악 하였다.
열 잔류 응력으로 인한 FML의 항복강도의 저하는 후-인발 공정옾 통하여 해결 할 수 있으며 이에 대하여는 다음 절에서 논의하도록 한다.
본 절에서는 FML이 경화된 직후 그리고 후-인 발 공정을 수행한 이후 내부에 발생한 잔류응력 을 예측한 값과 실험을 통하여 측정한 결과를 비교 하였으며, FML의 잔류응력을 측정하기 위하여 본 연구에서는 Tensile test와 Half-lay-up시편 을 이용한 두 가지 실험을 수행하였다.
열 잔류응력의 해소와 항복강도의 증가를 위하여 수행되는 후-인발 공정을 거친 FML의 내부응력 상태를 확인하기 위하여 실험을 수행하였다. 앞 절의 열 잔류응력 측정에서 사용된 것과 같은 HalMay-up 방법과 인장실험을 이용하였다.

제안 방법

알루미늄과 복합재료의 열팽창 계수는 NETZSCH사의 402C 딜라토미 터 (Dilatometer)를 이용하여 측정하였다. 적층 후 오토클레이브에서 Jlkgf/cn?의 압력과 120℃ 의 온도에서 1시간 30분간 경화 하였으며, 인장시편은 ASTM D3039 에 조건에서 고속 다이아몬드 휠 커터를 이용하여 1.
Jlkgf/cn?의 압력과 120℃ 의 온도에서 1시간 30분간 경화 하였으며, 인장시편은 ASTM D3039 에 조건에서 고속 다이아몬드 휠 커터를 이용하여 1.25x25.4x230mm의 크기로 가공하였다.
초기 경화 후의 열 잔류응력을 측정하기 위하여 알루미늄 한 장과 복합재료 한 장만을 적층한 Half-lay-up 시편을 제작하여 경화 시켰다. 후-인발 공정 후의 잔류웅력을 측정하기 위해서도 같은 형태의 Half-lay-up시편을 만들었으며, 적층순서를 표 2에 나타내었다.
후-인발 공정 후의 잔류웅력을 측정하기 위해서도 같은 형태의 Half-lay-up시편을 만들었으며, 적층순서를 표 2에 나타내었다.
즉, 고온 경화한 FML의 경우 알루미늄에 잔류인장응력이 가해져 있고, 상온 경화한 FML의 경우 그러한 잔류응력이 없으므로 이 둘을 인장 실험하여 항복강도의 차이를 알루미늄에 가해져 있는 열 잔류인장응력으로 보았다. 이러한 열 잔류응력은 아래의 식으로 계산할 수 있다[9, 1 이.
이렇게 휜 FML의 복합재료 면과 알루미늄 면에 각각 스트레인 게이지를 붙이고 평평하게 펼때의 스트레인 변화를 측정하였다.
앞 절의 열 잔류응력 측정에서 사용된 것과 같은 HalMay-up 방법과 인장실험을 이용하였다. 즉, Half-lay-up시편과 Full-lay-up 시편을 0.45% 소성변형 시킨 후 하중을 제거하고 Full-lay-up 시편에 다시 인장실험을 실시하였고, Half-lay-up 시편의 경우는 0.45%의 후-인발 공정 후 알루미늄 표면에 스트레인 게이지를 부착하여 평평하게 펼 때의 스트레인 변화를 측정하였다. 실험을 통해 나온 결과를 그림 7과 8에 나타내었고, 그림 9에는 후-인발 공징으로 인한 FML의 휨 현상을 나타내었다.
이러한 잔류응력의 역전은 FML 의 항복강도의 향상에 크게 기여하였음을 위의 ri림에서 알 수 있다. 또한, 알루미늄에 존 새 하는 암축잔류응력의 크기를 두 가지의 실험을 통해 비교하였으며, 그 값이 매우 유사하게 측정되었다. 즉, 후-인발 공징 처리된 FML의 알루미늄에는 -77.
논 논문에서는 FML의 제조 시에 발생하는 열잔류응럭과 후-인발 공정 처리 후에 발생하는 잔류응릭을 예측하고, 새로운 잔류응력 측정법을 통해 그 값을 측정, 확인 하였다. 경화 직후에 발생하는 잔류응력은 알루미늄에 인장응력을 남겨 FML의 항복강도가 17.
따라서 본 연구에서는 성형 과정 중 수지의 화 학반응에 따른 고려해서 예측하기 보다는 성형 온도에 조점을 맞추어 잔류응력의 날생을 예측하였다. 120℃에서 경화(Hot Cured FML-그림 3-(a)) 하여 열 잔류응력을 가지게 된 시편과 이미 경화 된 복합재료 층을 알루미늄 사이에 넣고 상온 접 착제를 이용하여 제작한 FML(Cold Cured FML-그림 3-(b))을 인장실험을 통해 항복강도의 차이를 측정하였다.

대상 데이터

본 실험에 사용된 FMLe 알루미늄 2024-T3 사이에 유리섬유 복합재료를 적층하여 제작되었다. 적층은 알루미늄 두 장 사이에 복합재료 층을 두 장 적층 하여 두께 방향으로 대칭이 되도록 하였다 사용된 알루미늄은 Alcoa사의 A12024 -13 이며, 복합재료는 한국화이버사의 HG-181 glass/ epoxy 프리프레그로 섬유는 0°와 90°의 방향 (8-harness)으로 직조되어있다.
적층은 알루미늄 두 장 사이에 복합재료 층을 두 장 적층 하여 두께 방향으로 대칭이 되도록 하였다 사용된 알루미늄은 Alcoa사의 A12024 -13 이며, 복합재료는 한국화이버사의 HG-181 glass/ epoxy 프리프레그로 섬유는 0°와 90°의 방향 (8-harness)으로 직조되어있다. 수지는 120℃ 경화 형이다.

이론/모형

앞 절의 열 잔류응력 측정에서 사용된 것과 같은 HalMay-up 방법과 인장실험을 이용하였다. 즉, Half-lay-up시편과 Full-lay-up 시편을 0.

성능/효과

경화온도와 상온과의 차이로 인해 발생하는 열 잔류응력은 결과에 나타나듯이 알루미늄에는 17.54~ 18.42MPa의 인장응력이 걸리게 되며, 복합재료 증에는 -22~-28MPa의 압축응력이 걸리게 되는 것으로 나타났다.
또한, 알루미늄에 존 새 하는 암축잔류응력의 크기를 두 가지의 실험을 통해 비교하였으며, 그 값이 매우 유사하게 측정되었다. 즉, 후-인발 공징 처리된 FML의 알루미늄에는 -77.47--81.74MPa의 압축 잔류응력이 존재하는 것으로 나타났다.
그 값을 측정, 확인 하였다. 경화 직후에 발생하는 잔류응력은 알루미늄에 인장응력을 남겨 FML의 항복강도가 17.54~18.42MPa 감소되며, 후 -인 발 공정 후 알무미늄에는 압축응력 이 남게 되어 항복강도가 77.47-81.74MPa 증가되었다. 이 실험에 새롭게 사용된 Half-lay-up FML을 이용한 잔류응력 측싱빈을 통하여 구한 실험 결과와 기존의 실험법 및 계산식을 사용하여 얻은 결과가 그접한 값을 보인다.
74MPa 증가되었다. 이 실험에 새롭게 사용된 Half-lay-up FML을 이용한 잔류응력 측싱빈을 통하여 구한 실험 결과와 기존의 실험법 및 계산식을 사용하여 얻은 결과가 그접한 값을 보인다.

참고문헌 (10)

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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].

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