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- 13J의 충격에너지에 의해 알루미늄 하니컴 코어의 국부적인 압괴(loc시 crushing)가 더욱 커져 WR580/NF4000 적층 복합재 면재가 두께 방향으로 미소의 움푹 파인 변형(permanent indentation)이 발생함을 의미한다. 또한 해석 결과(Fig. 9의 왼쪽) WR580/NF4000 유리섬유/에폭시 적층복합재 면재와 알루미늄 하니컴 코어로 구성된 GE/AH 샌드위치 패널의 저속 충격 해석을 통해 외부 적층 복합재 면재의 파손 영역(damage area)에 대하여 나타내었다’ 이때 파손 영역은 기지 재료의 파손 지수(Table 5의 %, )를 나타낸 것으로 이는 층과 층이 분리되는 층간분리로 가정하였다.
- 본 연구에서는 Fig. 6과 같이 알루미늄 하니컴 코어의 두께방향에 대한 압축특성 시험을 통하여 응력-변형률 곡선을 구하였고, 길이 및 폭 방향 물성과 전단 물성은 그 영향이 재료특성에 미치는 영향이 작다는 가정 하에 물성을 정의하였다.
제안 방법
- 경계조건으로는 바닥 고정 지그와 상부 지그를 모델링하여 접촉조건을 부가하여 실제 시험 환경과 같이 모사도록 하였다. 충격체와 고정 지그 모델은 관심 대상이 아니므로 강체로 정의하였다.
- C-scan에 의한 관찰이 어려웠다. 따라서 본 절에서는 3차원 측정기와 광학기기를 이용하여 시편 표면에 발생하는 손상영역을 충격에너지 변화에 따라 분석하였다.
- 또한 샌드위치 패널 2종류에 대한 저속충격해석을 수행하여 샌드위치 패널의 종류에 따라 파손영역을 비교하였다. 이때 금속재 면재를 갖는 AL/AH 샌드위치 패널은 소성변형영역을, 적층 복합재 면재를 갖는 GE/AH 샌드위치 패널은 기지재료의 파손에 의한 층간분리 파손영역을 도출하였다.
- 충격에너지는 충격체의 낙하높이를 변화시키면서 조절하였다. 또한, 충격후 샌드위치 시편에 발생하는 표면의 손상영역과 손상깊이는 Fig. 3의 3차워 측정기(모델명 : Cyclone)에 의해 측정하였다.
- 본 논문은 바이모달 트램의 차체에 적용되는 GE/AH 샌드위치 패널과 바닥재에 적용되는 AL/AH 샌드위치 패널에 대한 저속충격 특성을 충격시험과 외연유한요소해석을 통해 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 파손모드를 확인할 수 있다. 본 연구에서는 MAT_54 (*MAT_ENHANCED_COMPOSITE_DAMAGE) 물성카드를 사용하였으며, 이 물성카드는 Matzenmiller가 Chang- Chang 파손기준식과 Tsai-Wu 파손기준식을 수정하여 Table 5와 같이 제안한 복합재 적층판 파손모델로서 평판이론을 기초로 하여 면내 . 외 응력성분에 의한 섬유의 파손, 기지재료의 파손모드를 제공한다[14-17].
- 본 연구에서는 바이모달 트램 차체 및 바닥재 구조를 구성하게 되는 2종류의 샌드위치 복합재 패널에 대한 충격시험을 수행하여 충격에너지 변화에 따른 손상영역과 손상깊이 (damage area and depth)를 3차원 측정기를 이용하여 측정하여 손상모드를 분석하였다. 또한, 면재와 심재재료의 물성 시험을 통해 측정한 데이터를 바탕으로 손상모델 (damage model)을 제시하였고, 범용 외연 유한요소해석 프로그램인 LS-DYNA3D를 이용하여 저속충격하중에서의 파손정도를 시험과 해석 결과를 통해 상호 비교하였다.
- 반대로 이 값이 낮으면 상호간의 침투로 인해 잘못된 결과가도출된다. 본 연구에서는 충격체를 접촉면(master surface)으로 샌드위치 패널의 외부 면재를 목표면(slave sruface)로 선정하여 여러 번의 해석을 통해 최적의 벌칙강성 값(0.2)을 도출하였다 μ0].
- 이때 금속재 면재를 갖는 AL/AH 샌드위치 패널은 소성변형영역을, 적층 복합재 면재를 갖는 GE/AH 샌드위치 패널은 기지재료의 파손에 의한 층간분리 파손영역을 도출하였다. 샌드위치 패널과 충격체간의 충격으로 샌드위치 패널의 손상깊이 또한 유한요소해석을 통해 평가하였다.
- 샌드위치 패널에 가해지는 충격에너지는 충격시험기가 가할 수 있는 최소의 충격에너지부터 시작하여 4 단계의 충격에너지 변화에 따른 충격특성을 관찰하였다.
- 샌드위치 패널의 유한요소모델과 저속충격 시험결과를 비교하기 위하여 시험을 통해 측정된 층격에너지를 질량체로 모델링된 충격체에 초기속도 4가지를 각각 부가하여 하중을 전달하였다. 경계조건으로는 바닥 고정 지그와 상부 지그를 모델링하여 접촉조건을 부가하여 실제 시험 환경과 같이 모사도록 하였다.
- 샌드위치 패널의 유한요소모델은 솔리드와 쉘요소의 조합으로 구성하였는데, 면재는 4개의 노드를 갖는 Belytschko-Tsai 쉘요소를 사용하였고, 심재는 8개의 노드를 갖는 솔리드 요소로 하니컴코어를 유효등가모델링(effective equivalent modeling) 하였다[8].
- 사용하였다. 이 물성을 해석에 적용하기 위하여 알루미늄 5052 시편을 제작하여 인장시험을 통해 응력-변형률 곡선을 구하였고, Tabel 3에 정리하였다.
- 이때 금속재 면재를 갖는 AL/AH 샌드위치 패널은 소성변형영역을, 적층 복합재 면재를 갖는 GE/AH 샌드위치 패널은 기지재료의 파손에 의한 층간분리 파손영역을 도출하였다. 샌드위치 패널과 충격체간의 충격으로 샌드위치 패널의 손상깊이 또한 유한요소해석을 통해 평가하였다.
- 이때 적용되는 물성은 각 시험종류 및 시편방향에 따라 여섯 개씩 제작하여 인장(ASTM D 3039), 압축(ASTM D3410) 과 전단물성시험 (ASTM D5379)을 통해 Table 6과 같이 구하였다.
- 이때 국부적인 샌드위치 패널의 변형은 충격이 발생하는 영역에서 발생되며 충격체와 샌드위치 패널의 외부 면재와의 접촉조건에 따라 비탄성 거동을 보이게 된다. 이러한 비선형적인 요소를 고려한 충격거동해석을 수행하기 위하여 본 연구에서는 범용 비선형 유한요소해석 프로그램인 LS-DYNA3D를 이용하였다. Fig.
- 통상적으로 분류하고 있다. 이에 본 연구에서는 약 16J 까지의 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 층간분리나 모재균열 등의 손상이 관찰되었고 10J이상의 충격에너지에서는 일부 면재가 관통되는 현상을 보여 충격에너지를 6J이내로 선정하였다.
- 95kg이었다. 충격에너지는 충격체의 낙하높이를 변화시키면서 조절하였다. 또한, 충격후 샌드위치 시편에 발생하는 표면의 손상영역과 손상깊이는 Fig.
- 가지 형태의 파손모드를 갖는다. 하니컴 샌드위치 구조의 유한요소법을 이용한 모델링은 컴퓨터의 물리적 용량을 고려하여 모델링 되어야 하는데, 실제 하니컴 코어의 충격거동을 모사하기 위하여 실제 육각형의 하니컴 형상을 모델링 하는 것이 가장 이상적인 결과를 도출하지만 이는 해석 시간과용량을 증가시키므로 실용적인 모델링 방법이라 할 수 없다 [9], 따라서, 본 연구에서는 복잡한 파손형태를 가지는 하니콤코어의 두께방향 압축시험을 통해 유효손상모델을 도출하여 솔리드 요소를 적용하여 하니콤 코어의 등가손상모델을 사용하였다.
- 하니컴 코어의 재료물성은 LS-DYNA3D에서 하니컴 재료물성 인 #*M1A26T( _MODIFIED_HONEYCOMB) 을 적용하였으며, 비선형 탄소성 거동을 나타내는 하니컴 코어의 물성을 적용하기 위해서는 각 방향에 따른 압축 특성과 전단 특성 시험을 통해 응력-변형률 곡선을 적용하여야 한다. 하니컴 코어는 Fig.
대상 데이터
- 알루미늄 5052면재의 재료 모델은 LS-DYNA에서 제공하는 *M#2A4( T_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY) 를 사용하였다. 이 물성을 해석에 적용하기 위하여 알루미늄 5052 시편을 제작하여 인장시험을 통해 응력-변형률 곡선을 구하였고, Tabel 3에 정리하였다.
- 차체 구조물 (bodyshell) 에 적용되는 샌드위치 패널은 0.5mm 두께를 가지는 WR580/NF4000 직조 유리섬유/에폭시 (Glass fabric/Epoxy; GE) 프리프레그를 외부면재의 경우 6장적층하고 내부면재는 3장을 적층하여 구성하였고, 심재로는 알루미늄 하니컴 코어(Aluminum Honeycomb core; AH)를 고려하고 있다. 반면, 바닥재(Hoor) 적용 샌드위치 복합재 패널은 알루미늄 면재(ALuminum; AL)와 알루미늄 하니컴 코어(AH)에 의한 구성이 고려되고 있다.
- 충격시험에 사용될 샌드위치 패널은 오토클레이브(autoclave) 공법으로 제작하였고, 성형이 완료된 시편은 다이아 절단기를 사용하여 100x100mm로 절단하여 시편을 제작하였다[7].
- 충격시험은 Fig. 2에서 보듯이 Dynatup 8250 충격시험기를 사용하여 수행하였으며, 본 시험에 사용된 텁(tup)은 지름 15.86mm 인 반구형의 강철이고 충격체 질량은 1.95kg이었다. 충격에너지는 충격체의 낙하높이를 변화시키면서 조절하였다.
데이터처리
- 손상모드를 분석하였다. 또한, 면재와 심재재료의 물성 시험을 통해 측정한 데이터를 바탕으로 손상모델 (damage model)을 제시하였고, 범용 외연 유한요소해석 프로그램인 LS-DYNA3D를 이용하여 저속충격하중에서의 파손정도를 시험과 해석 결과를 통해 상호 비교하였다.
이론/모형
- 본 연구에서는 차체적용 샌드위치 패널의 내 . 외부 면재인 WR580/NF4000 유리섬유/에폭시 적층 복합재의 저속 충격에서의 파손을 평가하기위하여 Chang-Chang 파손기준식 (Chang and Chang failure criterian)을 선택하였다[12, 13].
- 충격체와 외부 면재와의 접촉은 표면 접촉 알고리즘 (surface contact algorithm)인 면 대 면(surface to surface) 접촉 조건을 사용하였고 충격체와 피충격체 상호간의 침투 (penetration)를 허용하지 않는 조건을 적용하였다. 접촉문제의해의 정확성과 안정성을 위하여 법선 벌칙 강성 (normal penalty stiffness) 값을 선정하여야 하는데, 이때, 벌칙 강성값이 높으면 상호간의 침투가 발생되기 전에 접촉이 발생하거나 침투량이 실제 거동과 다른 수치 오차가 발생하게 된다.
성능/효과
- (1) 저속충격시험 결과 금속 알루미늄 면재를 적용한 샌드위치 패널(AL/AH) 보다 직조형태의 유리섬유/에폭시 적층복합재 면재로 구성된 샌드위치 복합재 패널(GE/AH)이손상 깊이 및 영역이 적게 나타나 우수한 저속충격특성을 나타낸 것으로 확인되었다.
- (2) 샌드위치 복합재 패널을 구성하는 금속 알루미늄 및 유리섬유/에폭시 적층 복합재 면재에 대한 기본적인 기계적물성 시험을 수행하여 재료의 손상모델을 제시하였고, 특히 알루미늄 하니컴 코어의 경우 솔리드 모델로 모사하기위한 유효손상모델을 도출하였다.
- 8의 왼쪽)는 알루미늄 5052면재와 알루미늄 하니컴 코어로 구성된 AL/AH 샌드위치 패널의 저속 충격 해석을 통해 외부 금속재 면재의 소성변형영역(region of plastic strain)을 나타낸 것이다. AL/AH 샌드위치 패널의 저속 충격 해석을 통해 소성변형영역을 확인한 결과 충격에너지가 증가함에 따라 손상영역이 증가하였으며, 시험결과와 파손영역이 일치하는 것을 확인하였다.
- 이로인해 급격한 하중감소가 발생되면 구조체로서의 건전성을 확보하기 어렵다. 따라서 본 연구에서는 적층 복합재 면재에 대한 파손 모드를 수정된 Chang-Chang 파손기준식을 사용하여 해석하였으며 시험결과의 손상영역 및 깊이와 비교적 잘 일치하는 것을 확인하였다.
- 대해 비교하였다. 비교 결과 해석과 시험이 비교적 잘 일치하는 것을 확인할 수 있다.
- 샌드위치 패널 2종류에 대한 저속충격시험 및 해석 결과 AL/AH 그리고 GE/AH 샌드위치 패널은 충격에너지가 증가함에 따라 손상영역과 깊이도 증가함을 확인할 수 있었다. 알루미늄 면재를 사용한 바닥재 적용 샌드위치 시편들의 손상영역은 WR580/NF4000 적층 복합재 면재를 사용한 차체 적용 샌드위치 시편들에 비해 작은 충격에너지에서도 매우 크게 발생하며, 면재의 두께 방향으로 움푹 파인 영구 변형 형태 역시 매우 크게 나타난다.
- 시험 결과(Fig. 8의 오른쪽) 사진의 아래와 오른쪽 선(Line A & B)들은 3차원 측정기에 의해 시편 표면의 A와 B 방향으로 손상영역과 깊이를 정량적으로 표시한 것이며, 해석 결과(Fig. 8의 왼쪽)는 알루미늄 5052면재와 알루미늄 하니컴 코어로 구성된 AL/AH 샌드위치 패널의 저속 충격 해석을 통해 외부 금속재 면재의 소성변형영역(region of plastic strain)을 나타낸 것이다. AL/AH 샌드위치 패널의 저속 충격 해석을 통해 소성변형영역을 확인한 결과 충격에너지가 증가함에 따라 손상영역이 증가하였으며, 시험결과와 파손영역이 일치하는 것을 확인하였다.
- 이런 이유로 알루미늄 면재를 사용한 샌드위치 패널을 차체 구조에 적용시킬 경우 충격에 의해 외형적인 문제와 유지보수 문제 등을 유발할 수 있다. 시험 결과직조형태의 유리섬유/에폭시 면재를 갖는 샌드위치 패널의 저속충격특성이 우수한 것으로 확인되었다.
- 저속충격시험에서(Fig. 9의 오른쪽) WR580/ NF4000 적층 복합재 면재를 사용한 차체 적용 샌드위치 시편에 발생하는 손상영역은 하얗게 나타나 육안으로도 비교적 잘 보임을 알 수 있다. 이 손상영역은 충격에 의한 적층 복합재면재에 발생하는 층간분리인 것으로 확인되었다 [7].
후속연구
- 국내에서는 한국형 고속 틸팅열차(TTX) 개발 사업에 복합재를 적용한 차체를 제작하여 시험 중에 있으나, 트램 또는 버스와 같은 도시형 승객 이동수단에는 적용된 사례가 없다[3]. 바이모달 트램 차체는 섬유강화 적층 복합재 (fiber-reinforced composite laminate)와 샌드위치 구조물(sandwich structure)의 조합으로 구성되는 하이브리드 복합재 차체 (hybird composite bodyshell)로 개발될 예정이다.
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