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문제 정의
- 본 연구는 한국형 초저상 버스 적용을 위해 4 종류의 샌드위치 패널들에 대한 저속충격 특성 및 손상모드를 6 단계의 충격에너지 변화에 따라 분석하였으며, 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 본 연구에서는 한국형 초저상 버스 차체 및 바닥재 구조를 구성하게 될 최적의 샌드위치 구성재료를 선정하고자 4종류의 샌드위치 패널에 대한 충격시험을 수행하여 충격에너지변화에 따른층격특성을 평가하였다. 또한, 3차원 측정기를 사용하여 충격 에 의한 샌드위치 패 널들의 손상영역과 손상깊이 (damage areas and depth)를 즉정하였으며, 시편을 절단하여 심재와 면재의 충격 손상모드(damage mode)를 관찰하였다.
제안 방법
- 따라서 본 절에서는 3차원 측정기와 광학기기를 이용하여 시편 표면에 발생하는 손상영역을 충격에너지 변화에 따라 분석하였으며, 시편 단면을 절단하여 충격을 받은 부위에 대한 면 재와 심재의 손상모드를 관찰하였다.
- 4에서 보듯이 Dynatup 8250 충격시험기를 사용하여 수행하였으며, 이 충격시험기는 하중변환기 센서가 장착된 충격체, 충격속도를 측정하기 위한 광센서, 충격체를 유도하기 위한 두 개의 유도봉 등으로 구성된다. 또한 충격 후 충격체의 리바운드를 방지하기 위한 장치가 설치되어 있으며, 모든 시험에서 시편에 한 번의 충격만이 가해지도록 리바운드 브레이크 시스템을 작동하였다. 본 시험에 사용된 텁(tup)은 지름 15.
- 평가하였다. 또한, 3차원 측정기를 사용하여 충격 에 의한 샌드위치 패 널들의 손상영역과 손상깊이 (damage areas and depth)를 즉정하였으며, 시편을 절단하여 심재와 면재의 충격 손상모드(damage mode)를 관찰하였다.
- 바닥재 구조물로 사용될 샌드위치 시편들의 충격에너지는 1.57J, 2.08J, 3.04J, 3.50J, 4.49J, 5.93J여섯 가지의 변화를 주어 수행하였다.
- 샌드위치 패널에 가해지는 충격에너지는 충격시험기가 가할 수 있는 최소의 충격에너지부터 시작하여 6 단계의 충격에너지 변화에 따른 충격 특성을 관찰하였다.
- 있다. 이에 본 여구에서는 약 16J까지의 충격시험을 수행하였으나, 6J 이상부터는 알루미늄 면재를 사용한 샌드위치 시편의 경우 소성 변형이 크게 발생하여 지지대(clamping jig)까지 접근하였으며, 유리섬유/에폭시 적층판 면재를 적용한 샌드위치 시편의 경우에는 6J이내의 충격에너지에서도 층간 분리나 모재균열 등의 손상이 관찰되었고 10J 이상의 충격에너지에서는 일부 면재가 관통되는 현상을 보여 충격에너지를 6J이내로 선정하였다.
- 차체 구조물로 사용될 샌드위치 시편들의 충격에너지는 1.31J, 2.26J, 3.17J, 4.13J, 5.07J, 6.00J 여섯 가지의 변화를 주어 수행하였다.
- 충격시험은 Fig. 4에서 보듯이 Dynatup 8250 충격시험기를 사용하여 수행하였으며, 이 충격시험기는 하중변환기 센서가 장착된 충격체, 충격속도를 측정하기 위한 광센서, 충격체를 유도하기 위한 두 개의 유도봉 등으로 구성된다. 또한 충격 후 충격체의 리바운드를 방지하기 위한 장치가 설치되어 있으며, 모든 시험에서 시편에 한 번의 충격만이 가해지도록 리바운드 브레이크 시스템을 작동하였다.
- 충격에너지 변화에 따른 샌드위치 시편들에 대한 충격특성은 두 개의 그룹으로 나누어 수행하였다. 1그룹은 WR580/NF4000 적층 복합재 면재 (GE)와 알루미늄 하니컴 코어 (AH) 또는 발사 코어(BA)를 사용하는 차체 적용 샌드위치 시편들 (GE/AH, GE/BA)이며, 2그룹은 알루미늄 5052 면재(AL)와 알루미늄 하니컴 코어(AH) 또는 발포 알루미늄 코어(FA)를 사용하는 바닥재 적용 샌드위치 시편들(AL/AH, AL/FA)이다.
대상 데이터
- 1그룹은 WR580/NF4000 적층 복합재 면재 (GE)와 알루미늄 하니컴 코어 (AH) 또는 발사 코어(BA)를 사용하는 차체 적용 샌드위치 시편들 (GE/AH, GE/BA)이며, 2그룹은 알루미늄 5052 면재(AL)와 알루미늄 하니컴 코어(AH) 또는 발포 알루미늄 코어(FA)를 사용하는 바닥재 적용 샌드위치 시편들(AL/AH, AL/FA)이다. 충격시험에 사용된 시편은 각각의 충격에너지별로 한 개씩만을 사용하였다.
- 1은 한국형 초저상 버스에 대한 외형 개념도를 나타내고 있으며, 차체 재료로 고려중인 샌드위치 패널은 Table 1에서 보듯이 총 4종류이다. 면재와 심재는 국내외에서 항공기, 철도차량, 선박 구조물 등에서 널리 사용되는 재료를 선정하였다.
- 또한 충격 후 충격체의 리바운드를 방지하기 위한 장치가 설치되어 있으며, 모든 시험에서 시편에 한 번의 충격만이 가해지도록 리바운드 브레이크 시스템을 작동하였다. 본 시험에 사용된 텁(tup)은 지름 15.86mm인 반구형의 강철이고 충격체 질량은 L40kg이었다. 충격에너지는 충격체의 낙하 높이를 변화시키면서 조절하였다.
- 차체에 사용될 샌드위치 패널의 면재는 기계적 성능이 우수해야 하고, 심한 곡면에도 제작이 용이해야 하므로 금속재보다는 WR580/NF4000 복합 재가 선택되었다.
- 1그룹은 WR580/NF4000 적층 복합재 면재 (GE)와 알루미늄 하니컴 코어 (AH) 또는 발사 코어(BA)를 사용하는 차체 적용 샌드위치 시편들 (GE/AH, GE/BA)이며, 2그룹은 알루미늄 5052 면재(AL)와 알루미늄 하니컴 코어(AH) 또는 발포 알루미늄 코어(FA)를 사용하는 바닥재 적용 샌드위치 시편들(AL/AH, AL/FA)이다. 충격시험에 사용된 시편은 각각의 충격에너지별로 한 개씩만을 사용하였다.
- 충격시험에 사용될 샌드위치 패널은 오토클레이브(autoclave)를 사용하여 제작하였다. 샌드위치 패널의 제작 공정은 면재와 코어를 같은 치수로 준비한 후 면재와 코어 사이에 본덱스 606 (Bondex 606) 접합필름을 상온에서 접착시킨 후 적절한 온도와 압력 하에서 성형을 하게 된다.
성능/효과
- (1) WR580/NF4000 유리섬유/에폭시 적층 복합재 면재를 갖는 차체 적용 샌드위치 패널들의 흡수에너지, 최대 접촉력 등의 충격특성은 심재 종류에 무관하게 비슷한 경향을 보이고 있다. 다만, 손상영역은 발사코어를 적용한 샌드위치 패널 (GE/BA)이 다소 크게 발생하였고, 무게 측면에서는 알루미 늄 하니컴 코어 를 적용한 시 편(GE/AH) 이 37% 정도 유리한 것으로 나타났다.
- 국내에서는 수도권 지역을 중심으로 초저상 버스가 실제 운행 중에 있다.(1) 국내에서 운행되는 초저상 버스는 금속재 차체를 사용하고 있어 경량화, 에너지 효율성 그리고 제작성 즉면에서 복합재(composites)를 적용한 차체에 비해 떨어진다. 유럽 및 캐나다 등에서는 이런 단점을 보완하고자 복합재를 적용한 초저상 버스가 연구 개발되어 상용화되었다.
- (2) WR580/NF4000 유리섬유/에폭시 적층 복합재 면재를 갖는 차체 적용 샌드위치 패널들의 충격 손상 모 드는 동일하게 적층 복합재 면재에서는층간분리, 코어에서는 국부적인 압괴 파손이 관찰 되 었으며 충격 에너지 가 증가할수록 층간분리 에의한 손상영역이 커 짐을 확인하였다. 두께 방향으로 움푹 파인 영구 변형 형태는 거의 없었다.
- (3) 금속 알루미늄 면재를 갖는 바닥재 적용 샌드위치 패널들의 충격특성은 흡수에너지만을 제외하고 심재 종류에 따라 커다란 차이를 보이고 있다. 최대처짐과 접촉시간은 알루미늄 하니 컴 코어를 적용한 샌드위치 시편(AL/AH)이 높으며, 최대 접촉력은 발포 알루미늄 코어를 적용한 샌드위치 패널(AL/FA)이 높은 것으로 확인되었다.
- (4) 금속 알루미늄 면재를 갖는 바닥재 적용 샌드위치 패널의 충격손상모드는 차체 적용 샌드위치 패널들과는 다른 경향을 보이고 있다. 충격하중에 의해 두께방향으로의 움푹 파인 영구 변형이 주된 손상모드를 이루고 있다.
- (5) 적층 복합재 면재를 사용한 차체 적용 샌드위치 패널들은 금속 알루미늄 면재를 사용한 바닥재 적용 샌드위치 패널에 비해 충격 손상 및 변형 형태 등의 충격 저항성이 우수한 것으로 판단된다.
- Fig. 12에서 AL/AH와 AL/FA 시편 모두 충격에너지가 증가함에 따라 손상영역과 깊이도 증가함을 확인할 수 있다. 상대적으로 AL/AH 시편의 손상영역과 깊이가 더 크게 발생하는 데, 이는 Table 3에서 보듯이 알루미늄 하니컴 코어가 발포 알루미늄 코어에 비해 강성이 작기 때문이다.
- 결과적으로 차체 적용 샌드위치 시편들에 대한 충격에너지 변화에 따른 충격특성은 커다란 차이를 보이지 않지만, 충격에너지에 따른 손상은 Fig. 7(a) 의 최대처짐 결과에서 발사 코어를 사용한 GE/BA 시편이 다소 크게 나타난다. 이는 발사 코어가 굴곡형(contour type)으로 제작된 것으로 많은 변형에너지를 흡수하는 특성을 갖기 때문이다.
- 결과적으로 충격에 의한 손상은 AL/FA 시편이 비교적 적게 발생하고 있으나, 무게 측면에서는 Table 1에서 보듯이 AL/AH 시편이 AL/FA 시편에 비해 75% 무게 절감 효과를 얻을 수 있다.
- 이는 알루미늄 하니컴 코어를 적용한 샌드위치 패널의 상대적으로 강성이 낮음을 의미한다. 그러나, 무게 측면에서는 알루미늄 하니컴 코어를 적용한 샌드위치 패널이 75% 유리한 것으로 나타났다.
- 다만, 손상영역은 발사코어를 적용한 샌드위치 패널 (GE/BA)이 다소 크게 발생하였고, 무게 측면에서는 알루미 늄 하니컴 코어 를 적용한 시 편(GE/AH) 이 37% 정도 유리한 것으로 나타났다.
- 면재와 심재사이의 접착층 분리는 발견되지 않았으며, 충격을 가하지 않은 면에서도 인장 파손 등의 충격손상이 발견되지 않았다.
- 차체 적용 샌드위치 시편들과 마찬가지로 충격에너지가 증가함에 따라 접촉력 및 접촉 시간이 증가하고 있다. 바닥재 적용 샌드위치 시편들의 경우 면재가 금속재 알루미늄이므로 적층 복합재 면재에서 발생하는 섬 유파 단과 층간 분리 등의 파손형태가 없어 하중의 급격한 증감의 반복경향은 비교적 적게 일어남을 확인할 수 있다. 즉, 바닥재 적용 샌드위치 시편들은 면재와 심재가 모두 금속 알루미늄으로 제작되어면재의 두께방향으로의 움푹 파인 형태의 영구변형(permanent indentation)과 심재의 국부적인 압괴(local crushing)에 의한 파손이 주된 모드인 것으로 판단된다.
- 13J까지는 같은 증가 경향을 보이지만 이후에는 GE/BA시편이 좀 더 많은 충격에너지를 흡수하고 있다. 접촉시간은 GE/BA 시편이 GE/AH시편에 비해 더 오래 걸리며, GE/AH 및 GE/BA 시편 모두 2.26J까지 급격히 증가한 후 증가량이둔화됨을 보이고 있다. 최대 접촉력은 3.
- 최대처짐과 접촉시간은 알루미늄 하니 컴 코어를 적용한 샌드위치 시편(AL/AH)이 높으며, 최대 접촉력은 발포 알루미늄 코어를 적용한 샌드위치 패널(AL/FA)이 높은 것으로 확인되었다. 이는 알루미늄 하니컴 코어를 적용한 샌드위치 패널의 상대적으로 강성이 낮음을 의미한다.
후속연구
- 이런 충격손상은 심하지 않은 경우 충격부위에 대한 부분 수리 등으로 해결되기도 하지만, 심한 경우 구조적 결함으로 작용하기도 한다. 따라서 충격에너지 변화에 따른 충격손상에 대한 분석은 차후 발생하게 되는 유지보수 측면과 구조물의 성능유지에 영향을 주므로 반드시 분석해야 한다.
- 한국형 초저상 버스 차체는 섬유강화 적층 복합재 (fiber-reinforced composite laminate) 와 샌드위치 구조물(sandwich structure)의 조합으로 구성되는 하이브리드 복합재 차체 (hybrid composite bodyshell)로 개발될 예정이다. 섬유강화 복합재는 샌드위치 패널로는 제작이 어려운 곡률이 심한 일부 부위에 사용하게 된다.
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