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복합재료-탄소강 접착제 결합 조인트의 하중지지 능력 예측을 위한 이종 재료 접합 계면의 파괴 역학적 분석

Fracture Mechanical Characterization of Bi-material Interface for the Prediction of Load Bearing Capacity of Composite-Steel Bonded Joints

복합재료 : 한국복합재료학회지 = Journal of the Korean Society for Composite Materials, v.19 no.4, 2006년, pp.15 - 22  

김원석 (한국과학기술원 기계공학과) ,  신금철 (현대자동차 고분자 재료 연구팀) ,  이정주 (한국과학기술원 기계공학과)

초록
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구조물 설계에 복합재료-금속 접착제 결합 조인트의 개발 및 사용을 제한하는 가장 큰 요인은 접착 조인트의 하중지지 능력 예측을 위한 접착 계면의 강도 평가 방법의 부재이다. 본 연구에서는 복합재료-탄소강의 접착 강도를 계면 모서리에서의 응력강도계수와 파괴 인성 값으로 평가하였다. 구체적으로 동시 경화 성형법으로 제작된 복합재료-탄소강 양면 겹치기 접착조인트의 하중지지 능력을 파괴 역학적 분석 방법을 통하여 결정하였다. 이종재료 계면 모서리 첨단의 응력 특이성과 그 지수를 제시하고 최종적으로 응력강도계수와 실험을 통한 계면의 파괴인성 값을 획득하였다. 서로 다른 접합 길이를 갖는 조인트의 하중지지 능력 비교를 통하여 양면 겹치기 접착 조인트의 파괴 인성치와 혼합 모드에서의 균열 진전 기준을 $K_1-K_{11}$ 평면 내에 도시하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

One of the primary factors limiting the application of composite-metal adhesively bonded joints in structural design is the lack of a good evaluation tool for the interfacial strength to predict the load bearing capacity of boned joints. In this paper composite-steel adhesion strength is evaluated i...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 파괴역학적인 분석을 통하여 최근 항공기, 자동차, 선박 등 여러 구조물들에 널리 쓰이기 시작하고 있는 복합재료와 금속재료의 접착제 결합 조인트의 신뢰성 있는 하중 지지 능력 평가 방법을 제시하고자 한다.
  • 5는 본 연구에서 대상으로 한 양면 겹치기 접합 조인트의 안쪽 모서리 첨단에서 나타나는 경계 조건을 보여준다. 본연구에서는 계면에 초기 균열이 없다고 보고 경계 조건을 세웠다. 계면에서는 복합재료와 금속이 완전히 결합되었다고 가정하여 변위와 계면에서 수직한 면에 작용하는 응력의 연속조건을 주었으며 90°의 쐐기 형상의 자유면은 무응력 상태 (traction ffee)로 가정하였다.

가설 설정

  • 본연구에서는 계면에 초기 균열이 없다고 보고 경계 조건을 세웠다. 계면에서는 복합재료와 금속이 완전히 결합되었다고 가정하여 변위와 계면에서 수직한 면에 작용하는 응력의 연속조건을 주었으며 90°의 쐐기 형상의 자유면은 무응력 상태 (traction ffee)로 가정하였다.
  • 응력 특이성 지수는. 실수라는 가정하에 구하였으며 수치 해석적으로 구한 결과 Fig. 6 와 같이 0.5에서 [사이에 두 개의 값을 얻어 4=0.513, 久〃 =0.621로 결정하였다. 균열 선단의 경우 항상 응력 특이성 지수는 -0.
  • 3은 조인트의 유한요소 해석 결과 계면에서의 응력 분포로서 이종 재료 계면 첨단에서 응력 특이 성이 나타남을 보여준다. 유한요소 모델은 대칭성을 이용하여 전체 조인트 형상의 1/4만 모델링하였으며 복합재료와 탄소강 사이는 완전한 결합으로 가정하고 노드(node)들을 동일 노드로 구속하여 변위 및 응력의 연속 조건을 부여하였다. 계면에서의 응력 분포를 보면 모서리 첨단에서 두 응력 성분(。龙, "2) 이급격하게 증가하는 것을 확인할 수 있으며 왼쪽 모서리 첨단의 미끄러짐 모드(mode H)의 응력 상태가 가장 위험함을 알 수 있다.
  • 이종 재료 계면 모서리 첨단에서의 응력 분포를 결정짓는 함수 f(z)는 일반적으로 응력 특이성이 나타나는 문제에서 자주 쓰이는 (식) 5와 같은 형태의 지수 함수 꼴의 해를 가정하였다.
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참고문헌 (8)

  1. A.J. Kinloch, 'Review - The science of adhesion part I, surface and interfacial aspects,' J. Mater. Sci., Vol. 15, No.9, 1980, pp. 2141-2166 

  2. E.R. Reedy, 'Intensity of the stress singularity at the interface comer between a bonded elastic and rigid layer,' Eng. Fract. Mech., Vol. 36, No.4, 1990, pp. 575-583 

  3. A.R. Akisanya, and N.A. Fleck, 'Interfacial cracking from the free-dege of a long bi-material strip,' Int. J. Solids Structures, Vol. 34, No. 13, 1997, pp. 1645-1665 

  4. T.C.T. Ting, Anisotropic Elasticity: Theory and applications Oxford University Press, New York, 1996 

  5. S.T. Choi, H. Shin and Y.Y. Earmme, 'On correspondence between anisotropic and isotropic elasticity for singularity, interface, and crack in dissimilar media,' Int. J. Solids Structures, Vol. 40, No. 13, 2003, pp. 1411-1431 

  6. A.N. Stroh, 'Dislocations and cracks in anisotropic elasticity,' Phil. Mag., Vol. 3, pp. 625-646 

  7. W.C. Carpenter, and e. Byers, 'A path independent integral for computing stress intensities for V -notched cracks in a bi-material,' Int. J. Fract., Vol. 35, 1987, pp 2459-268 

  8. G.B. Sinclair, M. Okajima, and J.H. Griffin, 'Path independent integral for computing stress intensity factors at sharp notches in elastic strips,' Int. J. Num. Methods Engin., Vol. 20, 1984, pp. 999-1008 

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