[논문]복합재 보강패널의 좌굴 후 파손 특성

김광수; 이영무; 장영순; 유재석; 안재모

doi:10.5139/jksas.2006.34.3.037

[국내논문] 복합재 보강패널의 좌굴 후 파손 특성
Postbuckling Failure Characteristics of Composite Stiffened Panels 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.34 no.3, 2006년, pp.37 - 43

김광수 (한국항공우주연구원) , 이영무 (한국항공우주연구원) , 장영순 (한국항공우주연구원) , 유재석 (한국항공우주연구원) , 안재모 (한국항공우주연구원)

초록
AI-Helper

접합방법이 다른 6가지 종류의 복합재 보강패널을 제작하고 압축시험을 수행하였다. 모든 패널은 좌굴 및 좌굴 후 거동에서 스킨과 보강재의 분리 파손이 발생하기 전까지는 비슷한 거동 특성을 나타내었다. 분리 파손은 스킨 좌굴 지점과 인접한 보강재 플랜지에서 발생하였으며 분리 파손의 발생 하중, 분리 파손 진전 특성 및 최종 파손 하중은 스킨과 보강재의 접합방법 및 보강재 형상에 따라 다르게 나타났다. 스킨과 보강재의 분리 파손이 일찍 발생하고 크게 전파될수록 보강 패널의 최종 파손 강도 및 구조 효율이 더 많이 저하되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Six types of hat stiffened composite panels were manufactured with different bonding methods and stiffener section shapes and compression testing of these panels were performed. The panels showed similar behaviors in bucking and postbuckling region before a skin-stiffener separation failure occurred. Although all the separation failures occurred at the same locations of stiffener flanges close by skin buckling crests, the separation loads, separation failure growth behaviors and final collapse loads were different with respect to bonding methods and stiffener section shapes. As the separation failure initiated early and propagated larger area, collapse loads and structural efficiency of the panels decreased.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

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제안 방법

본 연구에서는 3가지 종류의 동시성형 또는 동시 접합 방법, 2가지 종류의 이차접합 방법 및 1가지 종류의 기계체결 방법으로 총 6가지 종류의 복합재 보강 패널을 제작하여 압축시험을 수행하였다. 이를 통해 복합재 보강패널에서 접합 방법, 보강재 단면 및 제작방법에 따른 스킨-보강재의 분리 파손 특성을 살펴보고 분리파손이 복합재 보강 패널의 좌굴 후 강도에 미치는 영향을 조사하였다.
이를 통해 복합재 보강패널에서 접합 방법, 보강재 단면 및 제작방법에 따른 스킨-보강재의 분리 파손 특성을 살펴보고 분리파손이 복합재 보강 패널의 좌굴 후 강도에 미치는 영향을 조사하였다.
복합재 보강 패널은 표 1에서와 같은 6가지 종류를 제작하였다. 즉, 접합방법으로는 이차접합, 동시성형(접착제를 사용한경우와 사용하지 않은 경우), 동시접합, 이차접합후 기계체결의 방법을 사용하였으며, 보강재 형상은 open 및 closed형 두 가지를 이용하였다.
그림 2에 표시한 바와 같다. 스킨과 대부분의 보강재는 일방향 카본/에폭시 프리프래그 (HT145/RS1222, 한국화이바 제작, 120도 성형용) 를 이용해 [±45/0/90]s의 준등방으로 적층하였으며 보강재의 상부(Top) 부분은 중간에 0도 2장을추가하였다. 또한 보강재의 플랜지와 웨브(web) 가 만나는 곳에서는 0도의 filler를 삽입하여 보강하였다.
그림 2에는 동시접합 시편의 보강재단면형상도 표시하였다. 기본적으로 closed형의단면을 가지며 그 안쪽에 카본/에폭시 패브릭 (HPW193/RS1222, 한국화이바 제작, 120도 성형용) 2장과 폼코아(foam core)로 이루어진 부분이있는데 이부분을 먼저 성형하고 이것을 다시 금형 대신 사용하여 최종 패널을 제작하였다.
제작된 보강 패널은 구조 시험을 위해 양쪽 끝단의 45mm를 알루미늄 파우더를 섞은 에폭시 레진으로 포팅 (potting)하였다. 포팅전 후로 패널 시편의 양끝단의 평행도 및 평면도검사 및 보정 작업도 수행하였다.
보여주고 있다. 시편 위, 아래에는 시편에하중을 균일하게 전달해 주기 위한 치구를 설치하였으며 특히, 위쪽 치구에는 반구(hemisphere) 모양의 부품을 통해 시편과 치구와의 균일한 접촉을 확보하고자 하였다. 압축시험은 0.
01m/sec 의 변위 제어로 실시하였다. 시험 중에 축 방향및 스킨의 면외 방향 변위를 측정하기 위해 다수의 변위 게이지를 장착하였다. 시험 중에 하중, 변위 및 변형률 신호를 데이터 획득 장비로 저장하였으며 쇄도우 모아래 기법을 통해 나타난 시편의 좌굴 모드는 비디오카메라로 기록하였다.
시험 중에 축 방향및 스킨의 면외 방향 변위를 측정하기 위해 다수의 변위 게이지를 장착하였다. 시험 중에 하중, 변위 및 변형률 신호를 데이터 획득 장비로 저장하였으며 쇄도우 모아래 기법을 통해 나타난 시편의 좌굴 모드는 비디오카메라로 기록하였다.
먼저, 접착을 이용한 방법과 기계체결을 이용한 방법을 비교해 보았다. 그림 8을 보면 기계체결을 이용한 보강패널(6번 패널)은 2번 패널 (closed형, 이차접합) 다음으로 나쁜 구조 효율을나타내었다.
접합방법 및 보강재 형상이 다른 6가지 종류의 복합재 보강패널을 제작하고 압축시험을 수행하였다. 복합재 보강패널 시편은 접합방법 및 보강재 형상에 따라 분리 파손의 발생여부, 분리파손 진전 특성, 분리 파손 모드 및 최종 파손 강도 등의 좌굴 후 파손 특성이 다르게 나타났다.
제작된 복합재 보강 패널의 스킨 및 보강재의 주요 지점에 스트레인게이지를 부착하였으며 스킨의 좌굴이 예상되는 지점에는 스킨의 앞, 뒤면 (back-to-back)으로 부착하였다. 시험 중에 시편의 좌굴 모드를 확인하기 위해 쇄도우 모아래 (shadow moire) 기법을 적용하였다.

대상 데이터

이차접합에 사용된 접착제는 상온 경화용인 Hysol EA9309.3NA이며 동시성형에 사용된 접착제는 FM73 필름접착제(성형 조건은 복합재 프리프레그와 동일)이다.

이론/모형

부착하였다. 시험 중에 시편의 좌굴 모드를 확인하기 위해 쇄도우 모아래 (shadow moire) 기법을 적용하였다. 압축 시험은 MTS사의 25톤 용량의 시험기(model 810) 에서실시하였다.

성능/효과

보강 패널은 제작 후 초음파 비파괴 검사를 통해 부품 및 접합 부위에 결함(defect)이 없음을 확인하였다. 제작된 보강 패널은 구조 시험을 위해 양쪽 끝단의 45mm를 알루미늄 파우더를 섞은 에폭시 레진으로 포팅 (potting)하였다.
이러한 시험 결과를 보면 스킨과 보강재의 분리파손은 접합방법뿐만 아니라 보강재 형상에 따라서도 영향을 받는 것을 알 수 있다. 즉, 분리파손이 발생하지 않은 1번, 5번, 6번 시편의 공통점은 보강재 형상이 open형이라는 것이다.
것을 알 수 있다. 즉, open형 보강재를 갖는 1번 및 5번 패널의 구조 효율이 가장 우수하였다. 이것은 1번 및 5번 패널에서는 분리 파손이 발생하지 않았기 때문이다.
그리고 closed형 보강재를 갖는 보강패널 역시 그 구조 효율은 분리파손의 발생정도와일치되는 결과를 보이고 있다. 즉, 분리 파손이가장 작게 발생한 동시성형(3번 패널)이 상대적으로 좋은 구조 효율을 보이고 있으며 분리파손이 가장 일찍 또 광범위하게 발생한 이차접합(2 번 패널)이 가장 나쁜 구조 효율을 보이고 있다. 따라서 보강재와 스킨의 분리 파손은 복합재 보강패널의 좌굴 후 강도 및 구조 효율을 저하시킴을 알 수 있다.
방법에 따른 영향을 살펴볼 수 있다. 먼저 이차 접합, 동시 성형(접착제를 사용하지 않는 경우), 동시 접합의 세 가지 방법 중에서 동시성형이 가장 우수한 구조 효율을 나타내었으며 이차접합이 가장 나쁜 구조 효율을 나타내었다.
복합재 보강패널 시편은 접합방법 및 보강재 형상에 따라 분리 파손의 발생여부, 분리파손 진전 특성, 분리 파손 모드 및 최종 파손 강도 등의 좌굴 후 파손 특성이 다르게 나타났다. 대체적으로 open형의 패널에서 분리파손이 발생하지 않았으며 높은 구조효율을 보였다.
복합재 보강패널 시편은 접합방법 및 보강재 형상에 따라 분리 파손의 발생여부, 분리파손 진전 특성, 분리 파손 모드 및 최종 파손 강도 등의 좌굴 후 파손 특성이 다르게 나타났다. 대체적으로 open형의 패널에서 분리파손이 발생하지 않았으며 높은 구조효율을 보였다. 모든 분리 파손은 스킨의 좌굴 지점과 인접한 보강재 플랜지에서 발생하였으며 최종 파손은 스킨과 보강 재가 분리된 부분에서 보강재가 압축 파손되므로 발생하였다.
모든 분리 파손은 스킨의 좌굴 지점과 인접한 보강재 플랜지에서 발생하였으며 최종 파손은 스킨과 보강 재가 분리된 부분에서 보강재가 압축 파손되므로 발생하였다. 스킨과 보강재의 분리가 클수록 보강 패널의 최종 파손 강도가 더 많이 저하되었다. 구조효율은 open형을 갖는 동시성형 및 이차 접합 시편이 가장 좋았다.
스킨과 보강재의 분리가 클수록 보강 패널의 최종 파손 강도가 더 많이 저하되었다. 구조효율은 open형을 갖는 동시성형 및 이차 접합 시편이 가장 좋았다.

후속연구

따라서 복합재 보강패널에서 접합 방법 중에어느 특정한 방법이 월등히 우수하다고 할 수 없다. 다만, 각 접합방법에서 스킨과 보강재의 분리파손을 방지할 수 있는 설계 및 제작 파라미터를찾을 수 있다면 접합방법에 관계없이 보강패널자체의 구조 효율을 충분히 발휘할 수 있다고 할수 있다.

참고문헌 (7)

김광수, 유재석, 안재모, 장영순, 이영무, '복합재 보강패널의 분리파손 및 좌굴 후 강도 특성', 한국복합재료학회 춘계할술발표회 논문집, 2005
김광수, 유재석, 이호성, 장영순, 'Hat형 보강재를 갖는 복합재 보강패널의 이차접합 제작 및 압축 시험', 한국항공우주학회 추계학술발표회 논문집, 2003, pp. 934-938
Lee, S., Xiong, Y., Benak, T.J., Heath, J. 'Design, Analysis, Manufacture, and Experimental Performance of Hat-Stiffened Composite Panel,' Science and engineering of composite materials, V.6, No.1, 1997, pp. 37-50

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Rouse, M., Assadi, M., 'Evaluation of Scaling Approach for Stiffened Composite Flat Panels Loaded in Compression,' J. of Aircraft, Vol.38, No.5, 2001, pp. 950-955

상세보기
Falzon, B.G., Steven, G.P., 'The effects of manufacturing methods on the buckling and postbuckling strength of thin skinned carbon fibre composite panels,' Proceedings of the Advanced Composite '93, 1993, pp. 239-246
Falzon, B.G., Stevens, K.A., Davies, G.O., 'Postbucking behaviour of a blade-stiffened composite panel loaded in uniaxial compression', Composites, Part A 31, 2000, pp. 459-468

상세보기
Elaldi, F., Lee, S., Structural Efficiency of different assembly method for stiffened composite panels: Cocuring and secondary bonding, the 83rd meeting of the AGARD SMP on 'Bolted/Bonded Joints in Polymeric Composites', 1996, 11A-1-8

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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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