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문제 정의
- 본 연구에서는 철도차량에 주로 쓰이고 있는 탄소/에폭시와 유리/에폭시 섬유직물복합재를 선정하여 층간 균열이 형성된 DCB(Double Cantilever Beam)시편을 제작하고, ASTM S528-01[13]에 준하여 모우드 I 층간파괴인성을 측정하였다. 또한 이와 동일한 조건의 유한요소해석을 실시하여 시험치와 Timoshenko 빔 이론을 통하여 계산된 층간 파괴 거동을 비교하였다.
제안 방법
- 1. 탄소/에폭시와 유리/에폭시의 DCB 시험을 실시하였다. 탄소/에폭시의 층간파괴가 진전되는 최대하중은 76.
- 시편의 끝단과 지그는 록타이드 401 접착제를 이용하여 부착하였으며 하중은 Imm/min 변위제어를 통하여 부과하였다. 50kN의 로드셀을 이용하여 0.5Hz로 하중과 변위를 기록하였으며 시편의 측면에는 1mm scale이 표시된 스케일 바를 부착하여 균열의 길이를 1/lOmm 단위까지 측정하였다. 시험이 진행되는 동안 실체현미경을 통하여 시편의 측면에서 균열의 첨단의 변화영상을 기록하여 균열 길이 측정에 정확을 기하였다.
- 또한 이와 동일한 조건의 유한요소해석을 실시하여 시험치와 Timoshenko 빔 이론을 통하여 계산된 층간 파괴 거동을 비교하였다.
- 의해 평가할 수 있다. 본 시험에서는 다른 보정법에 비하여 보수적인 결과를 제공하는 수종된 보 이론을 이용하였다.
- 7-1 을 이용하였다. 상하부에 분리된 한쌍의 빔은 1, 170개의 4절점 쉘요소 (S4R)로 구현하였으며 파괴가 전파될 영역은 754개의 두께가 없는 3D형태의 접착요소(COH3D8)을 이용하여 구속조건(tie constraint) 로 연결하였다. 시편 끝단의 로딩블럭이 접합부에 해당하는 영역에 상하 방향으로 각각 15mm 의 변위를 가하였다.
- 섬유직물 복합재의 층간파괴거동의 특성을 파악하기 위하여 DCB 시험에 대한 FE 해석을 수행하였다. FE 해석은 상용 유한요소 프로그램인 ABAQUS 6.
- 상하부에 분리된 한쌍의 빔은 1, 170개의 4절점 쉘요소 (S4R)로 구현하였으며 파괴가 전파될 영역은 754개의 두께가 없는 3D형태의 접착요소(COH3D8)을 이용하여 구속조건(tie constraint) 로 연결하였다. 시편 끝단의 로딩블럭이 접합부에 해당하는 영역에 상하 방향으로 각각 15mm 의 변위를 가하였다. 구현한 모델의 형상을 Fig.
- 시험은 탄소/에폭시와 유리/에폭시에 대하여 1차례 실시되었다. 시편의 끝단과 지그는 록타이드 401 접착제를 이용하여 부착하였으며 하중은 Imm/min 변위제어를 통하여 부과하였다.
대상 데이터
- 본 연구에 적용된 시편의 형태는 길이 180mm, 폭 25mm의 DCB(Double Cantilever Beam)로, 프리프레그를 20층을 적층하여 성형하였고 성형시 시편의 중앙 층에 테프론 필름(두께 20㎛, Dupont, USA)을 삽입하여 65jnm의 초기 균열을 생성하였다. 시편의 두께(h)는 탄소/에폭시는 4mm, 유리/에폭시는 4.
- 층간파괴인성 측정시험은 탄소섬유와 유리섬유 직물을 에폭시(RS1222)를 이용하여 경화시킨 적층판을 대상으로 실시하였다. 탄소섬유직물 복합재는 현재 한국형 틸팅 차량 차체 외벽에 적용된 재료이며, 유리섬유직물 복합재는 가볍고, 값이 싸며 기계적 성질이 우수하여 구조재로 적용이 활발히 연구되고 있는 재료이다.
데이터처리
- 3. 측정된 층간파괴인성을 이용하여 FE해석을 수행하였다. 그 결과 열림변위에 따른 시편 끝단의 반력 및 모우드 I층간균열 진전 거동을 유사하게 예측할 수 있었다.
- FE 해석 결과의 검증을 위하여 Fig. 7과 같이 유한요소해석을 통하여 얻어진 시험편 끝단의 반력을 시험치 및 Timoshenko 빔 이론을 이용하여 계산된 값과 비교하였다.
이론/모형
- DCB 시험에 대한 FE 해석을 수행하였다. FE 해석은 상용 유한요소 프로그램인 ABAQUS 6.7-1 을 이용하였다. 상하부에 분리된 한쌍의 빔은 1, 170개의 4절점 쉘요소 (S4R)로 구현하였으며 파괴가 전파될 영역은 754개의 두께가 없는 3D형태의 접착요소(COH3D8)을 이용하여 구속조건(tie constraint) 로 연결하였다.
- Krueger 등[11]은 보강재의 분리강도 특성을 조사하기 위해 스킨-플랜지 시편을 제안하고 인장, 굽힘, 혼합 하중 시험을 수행하고 분리 파손 특성을 연구하였다. 또한 2차원 평면 변형률 고체 요소를 사용하여 비선형 유한요소해석도 같이 수행하고 VCCT 기법을 이용해 변형률 에너지 방출률을 계산하였다. Camaho 등[12]은 복합재료에서 분리 파손의 거동을 모사하기 위해 접착제와 접착층 사이의 층간 요소를 제안하였다.
- 특히 작용하중에 의해 열림 변위가 커지는 경우에는 지그의 회전효과가 고려되어야 한다. 본 시험에서는 ASTM 5528-01에서 제공되는 지그에 따른 보정 식을 이용하였다.
- 본시험은 단방향섬유복합재 적층판을 대상으로 하는 ASTM D5528-01 을 기준으로 측정하였다. Fig.
- 54MPa을 부여하였다. 손상의 전파로 인한 물성저하를 결정하기 위하여 BK(Benzeggagh Kenane) 모드 거동을 이용하였다[15]. Table 2은 입력된 변수이다.
성능/효과
- 또한, Fig. 7(b)의 유리/에폭시의 경우에도 탄소/에폭시에 비해 균열이 안정적으로 진전했기 때문에 작은 톱니형상의 거동을 보였다.
- 측정된 층간파괴인성을 이용하여 FE해석을 수행하였다. 그 결과 열림변위에 따른 시편 끝단의 반력 및 모우드 I층간균열 진전 거동을 유사하게 예측할 수 있었다. 그러나 실제 시험에서는 균열은 일방향 복합재와 달리 불규칙하게 전파되는데 비하여, 유한요소 해석에서는 이를 정확히 묘사하는데는 한계가 있었다.
- 보였다. 본 연구에서 수행된 해석 결과의 경우 선형영역의 강성과 최대하중값이 시험치와 거의 일치하였다. 그러나 최대하중 이후, 즉 균열진전이 진행되는 동안 하중변위선도를 보면 탄소/에폭시의 경우 균열이 불안정하게 전파하여 Fig.
- 5Hz로 하중과 변위를 기록하였으며 시편의 측면에는 1mm scale이 표시된 스케일 바를 부착하여 균열의 길이를 1/lOmm 단위까지 측정하였다. 시험이 진행되는 동안 실체현미경을 통하여 시편의 측면에서 균열의 첨단의 변화영상을 기록하여 균열 길이 측정에 정확을 기하였다. Fig.
- 탄소 에폭시와 유리/에폭시 모두 균열길이와 상관없이 비교적 균일한 값을 나타냈다. 유리/에폭시의 층간파괴인성이 평균 l, 042J/m2으로 , 탄소/에폭시의 경우 845.7J/m2으로 나타났다. 유리/에폭시는 탄소/에폭시보다 낮은 하중에서 균열이 진전하지만 크랙의 진전길이가 짧은 안정한 양상을 보여 파괴 인성의 값은 더 높은 것으로 사료된다.
- 9N이였다. 층간파괴인성은 탄소/에폭시가 평균 845.7J/m2, 유리/에폭시는 1, 042”1구를 나타내었다.
- 4에 나타내었다. 탄소 에폭시와 유리/에폭시 모두 균열길이와 상관없이 비교적 균일한 값을 나타냈다. 유리/에폭시의 층간파괴인성이 평균 l, 042J/m2으로 , 탄소/에폭시의 경우 845.
후속연구
- 그러나 실제 시험에서는 균열은 일방향 복합재와 달리 불규칙하게 전파되는데 비하여, 유한요소 해석에서는 이를 정확히 묘사하는데는 한계가 있었다. 향후, 이러한 불규칙한 균열진전거동을 정확히 예측하기 위해서는 유한요소해석에서 직조패턴의 효과를 고려할 수 있는 연구가 진행되어야 할 것으로 판단된다.
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