복합재 항공기의 경우 인증 시 여러 가지 요소를 고려해야한다. 금속과는 달리 복합재구조물의 감항성은 운용 및 제작 중 발생하는 손상 등에 의해 큰 영향을 받는다. 그러므로 예상 가능한 여러 가지 손상에 대해 정적강도, 강성, 플러터 및 손상허용강도 등을 입증하여 야한다. 복합재료의 기계적물성은 환경조건에 영향을 받는다. 특히 압축강도는 수지의 영향이 지배적이고 수지가 온도와 습도의 영향을 많이 받으므로 설계/해석 시 고려하여야한다. 복합재 항공기의 경우 육안으로 탐지가 어려운 손상에 대한 정적강도를 입증하여야하고, 육안으로 보이는 큰 손상에 대해서는 발견 즉시 수리하도록 규정되어있다. 본 논문에서는 복합재 구조물의 설계/해석에 필요한 규정을 분석하고 해석방법 등에 대해 검토하려한다.
복합재 항공기의 경우 인증 시 여러 가지 요소를 고려해야한다. 금속과는 달리 복합재구조물의 감항성은 운용 및 제작 중 발생하는 손상 등에 의해 큰 영향을 받는다. 그러므로 예상 가능한 여러 가지 손상에 대해 정적강도, 강성, 플러터 및 손상허용강도 등을 입증하여 야한다. 복합재료의 기계적물성은 환경조건에 영향을 받는다. 특히 압축강도는 수지의 영향이 지배적이고 수지가 온도와 습도의 영향을 많이 받으므로 설계/해석 시 고려하여야한다. 복합재 항공기의 경우 육안으로 탐지가 어려운 손상에 대한 정적강도를 입증하여야하고, 육안으로 보이는 큰 손상에 대해서는 발견 즉시 수리하도록 규정되어있다. 본 논문에서는 복합재 구조물의 설계/해석에 필요한 규정을 분석하고 해석방법 등에 대해 검토하려한다.
There are a number of factors affecting the continued airworthiness of composite structure. Unlike metal structure, damages made in manufacturing processes or maintenance repair procedures need to be considered. The different levels of degradation and damage, which may occur, must be considered for ...
There are a number of factors affecting the continued airworthiness of composite structure. Unlike metal structure, damages made in manufacturing processes or maintenance repair procedures need to be considered. The different levels of degradation and damage, which may occur, must be considered for structural substantiation of static strength, stiffness, flutter, and damage tolerance. This can start with an evaluation of environmental effects for the particular composite material. Matrix-dominated composite properties, such as compressive strength, are most sensitive to moisture absorption and temperatures. Static strength substantiation includes the smaller damages that will not be detected in production or maintenance inspection while damage tolerance addresses larger damages that need to be repaired once discovered. In this paper, we intend to list the airworthiness regulations and advisory circular that are deemed closely related to the certification of composite airplanes.
There are a number of factors affecting the continued airworthiness of composite structure. Unlike metal structure, damages made in manufacturing processes or maintenance repair procedures need to be considered. The different levels of degradation and damage, which may occur, must be considered for structural substantiation of static strength, stiffness, flutter, and damage tolerance. This can start with an evaluation of environmental effects for the particular composite material. Matrix-dominated composite properties, such as compressive strength, are most sensitive to moisture absorption and temperatures. Static strength substantiation includes the smaller damages that will not be detected in production or maintenance inspection while damage tolerance addresses larger damages that need to be repaired once discovered. In this paper, we intend to list the airworthiness regulations and advisory circular that are deemed closely related to the certification of composite airplanes.
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문제 정의
국내에서도 고등 훈련기를 비롯하여 현재 개발이 진행 중인 한국형 헬기 개발 사업 등을 통하여 관련 기술들을 확보하고 있다. 본 논문에서는 복합재 항공기의 인증을 위한 규정을 분석하고, 선진항공사에서 적용하고 있는 방법들을 검토함으로써 인증을 위한 복합재 설계 요구조건과 이를 충족하기 위한 해석 및 시험평가 방법을 고찰하고자 한다.
본 논문에서는 복합재 항공기의 인증을 위한 설계 규정을 분석하고, 인증을 위한 복합재 설계요구조건과 이를 충족하기 위한 해석 및 시험평가방법을 소개하였다. 또한 정적강도해석과 discrete source damage 해석 방법에 대하여 검토하였다.
가설 설정
이 모델은 고전적인 파괴역학을 사용하지 않고 두 가지 변수(놋취가 없는 시편의 강도와 특성길이)를 이용하여 임의의 놋취 길이를 갖는 복합적층판의 잔류강도를 평가한다. 이 모델에서 특성길이는 시편의 기하학적 형상에 무관한 재료상수로 가정한다. Point stress criteria는 놋취 선단에서 고정된 거리만큼 떨어진 위치에서의 응력이 놋취가 없는 시편의 정적 강도와 같아지면 파손된다는 것이고, average stress criteria는 일정길이 안의 평균응력이 놋취가 없는 시편의 정적 강도와 같아지면 파손된다는 것이다.
제안 방법
FAR(Federal Aviation Regulation)[1~2], AC(Advisory Circular)[3] 및 미국 군사규격(MIL-SPEC)[4]을 분석하여 복합재 구조물의 감항성인증에 필요한 설계요구조건을 정리하였다.
또한 Mar-Lin은 파괴역학적인 방법을 쓰지 않고 "curve fit"모델을 이용하여 노치가 있는 복합적층판의 강도를 평가하였다[10]. 놋취가 균열과 같은 형상으로 존재하는 경우에 대하여 참고문헌 [11]의 실험결과와 전술한 파손모델을 이용한 해석결과를 비교하였다. Table 1에 적층판의 시험결과를 시편의 형상에 따라 정리하였다.
본 논문에서는 복합재 항공기의 인증을 위한 설계 규정을 분석하고, 인증을 위한 복합재 설계요구조건과 이를 충족하기 위한 해석 및 시험평가방법을 소개하였다. 또한 정적강도해석과 discrete source damage 해석 방법에 대하여 검토하였다.
복합재 구조물의 손상에 대한 민감도를 측정하는 시험으로써 피로시험 시 구조물에 손상을 부가하고 손상의 진전여부를 파악한다.
이 모델에서는 놋취가 있는 복합적층판의 인장 강도를 이론해로부터 구한 응력분포를 이용하여 결정한다. 이 모델은 고전적인 파괴역학을 사용하지 않고 두 가지 변수(놋취가 없는 시편의 강도와 특성길이)를 이용하여 임의의 놋취 길이를 갖는 복합적층판의 잔류강도를 평가한다. 이 모델에서 특성길이는 시편의 기하학적 형상에 무관한 재료상수로 가정한다.
선진 항공사의 경우 일반적으로 두 가지 방법으로 정적 강도를 평가하고 있다. 첫째 환경조건(온도, 습도)을 고려한 B-basis물성을 이용하여 굽힘 및 응력집중을 고려한 해석을 수행하고, 둘째 CAI강도나 open hole강도를 이용하여 면내하중에 대한 강도평가를 수행한다. (1)식은 적층판 수준의 강도를 평가하는 saint venant failure criteria이다.
대상 데이터
8mm이다. 시험에 사용한 복합재는 T300/5208이다. Fig.
이론/모형
적층판의 주요 설계허용치는 탄성계수, 포아송비, 그리고 정적강도를 꼽을 수 있다. 탄성계수와 포아송비는 라미나(lamina)에 대한 시험 결과치를 평균하고, 고전 적층판 이론(CLT)을 적용하여 산출한다. 적층판의 정적강도를 결정하는 일률적인 방법은 현재 정립되어있지 않다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
복합재료의 단점은 무엇인가?
이는 복합재료가 비강도가 높고 피로하중에 잘 견디며, 적층각을 적절하게 조합함으로써 다양한 형태의 외부하중에 대처할 수 있기 때문이다. 그러나 복합재료는 운용 환경조건에서 정적 및 피로강도가 저하되고 재료의 물성저하를 겪는다. 복합재를 이용하여 안전한 항공기 구조를 설계하기 위해서는 감항성 인증을 고려한 설계, 해석 및 시험 방법이 정립되어야 한다.
적층판의 주요 설계허용치에는 무엇이 있는가?
복합재를 이용하여 항공기 구조물을 설계하기 위해서는 적층판의 설계허용치를 정하여야 한다. 적층판의 주요 설계허용치는 탄성계수, 포아송비, 그리고 정적강도를 꼽을 수 있다. 탄성계수와 포아송비는 라미나(lamina)에 대한 시험 결과치를 평균하고, 고전 적층판 이론(CLT)을 적용하여 산출한다.
보잉 등의 선진항공사는 거의 모든 구조물을 복합재료로 사용하여 개발하는 이유는?
보잉 등의 선진항공사는 거의 모든 구조물을 복합재료로 사용하여 개발하고 있다. 이는 복합재료가 비강도가 높고 피로하중에 잘 견디며, 적층각을 적절하게 조합함으로써 다양한 형태의 외부하중에 대처할 수 있기 때문이다. 그러나 복합재료는 운용 환경조건에서 정적 및 피로강도가 저하되고 재료의 물성저하를 겪는다.
참고문헌 (11)
FAR Part 23, Airworthiness Standards: normal, utility, acrobatic, and commuter
FAR Part 25, Airworthiness Standards: Transport Category Airplanes
AC 25.571, Damage Tolerance and Fatigue Evaluation of Structure
Whitney, J. M. and Nuismer, R. J., "Stress fracture criteria for laminated composites containing stress concentrations," Journal of composite materials, Vol. 8, pp.253-265, 1974
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