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문제 정의
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본 연구에서 허니컴 샌드위치 구조의 손상에 관한 특성을 확인하기 위해 연구 대상 시편을 제작하였다.
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본 연구에서 허니컴 샌드위치 구조의 손상에 따른 잔류 강도 특성 연구를 수행하였다.
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본 연구에서는 탄소섬유/에폭시면재, 알루미늄 허니컴 코어섄드위치 복합재료의 압입 손상에 따른 잔류강도 특성 연구를 수행하였다.
제안 방법
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1) 손상의 분류를 위해 시편에 준정적 압입시험을 수행하여 얻어낸 하중-변위 선도를 바탕으로 면재의 탄성영역(CASE 1), 면재와 심재의 소성영역(CASE 2), 그리고 면재의 크랙 현상과 심재의 완전 붕괴가 발생되면서 강도가 급격히 감소하는 영역 (CASE 3)으로 분류하였다.
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4) 3점 굽힘 시험에서는 손상 부위가 인장일 경우와 압축인 경우로 각각 분류하여 시험을 수행하였다.
- Fig. 10과 같이 압축시험기 지그가 시편의 양끝단을 고정하기 때문에 이에 적절한 경계조건 모사를 위해 RBE2요소를 사용하여 두께 방향 변위를 고정하고 폭방향 변위를 고정하는 하중 조건을 적용하였다.
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NASTRAN을 이용하여 유한 요소해석을 수행하였다.
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굽힘 및 압축시험은 본 연구팀이 보유하고 있는 io톤 인장 압축 시험기(Universal Test Machine)를 사용하여 시험을 수행하였다.
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따라서 세 가지 Case를 압입시험시 주요 변형 구간에 따라 구분하였다.
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먼저 손상이 없는 시편에 대한 3점 굽힘 시험을 위해 ASTM C393, D790을 참고하여 시편 시험을 수행하였다 [3, 4], 지지부 사이의 거리(L)는 192mm이며, 폭(b)은 50mm 이며, 상부의 고정지지부와 하부에 두 개의 지지부로 구성 되어있고 변위 속도는 OSmnv'min를 유지하였다.
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샌드위치 복합재료 시편을 오토 클레이브 성형법을 이용하여 제작하고, 손상 모시를 위하여 준정적 압입 손상을 통해 각 시 편에 단계별 손상을 모사하였다.
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손상이 없는 경우와 단계별 손상이 있는 시편을 각각 굽힘 및 압축시험을 수행하여 시편의 손상 크기에 따른 변형 및 손상거동과 강도를 확인하였다.
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손상이 없는 시편의 강도를 평가하기 위해 3점 굽힘 시험과 압축시험을 수행하였다.
- 시편 실험은 첫째 손상이 없는 상태의 굽힘 및 압축시험을 수행한 시편과 준정적 압입 손상을 통해 단계적 손상이 모사된 시편 시험 결과와 비교하였다.
- 시편의 손상 후잔류강도를 평가하기 위해서 손상을 세 단계로 분류하여 잔류강도를 확인하였다.
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시험을 통해 얻은 시편의 하중-압입량 곡선을 통해, 각 시편에 적용할 손상압, 입량을 세 단계로 나누어 손상을 가정하고, 손상 후 잔류강도를 평가하였다[6].
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사용하였다. 실험조건과 동일하게 하단의 두 지지부 사이의 길이는 192tmn이며, 폭은 50mm로 형상 및 하중 조건의 대칭성을 이용하여 1/2 모델링 후 해석을 수행하였다.
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압입 속도를 동일하게 유지하여 코어 두께의 70%까지 압입하면서 압입하중과 압입량에 관한 데이터를 획득하였다.
- 위 결과를 바탕으로 굽힘 시편과 압축 시 편에 각 단계별 손상을 적용하여 시험을 수행하였다.
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유한요소 해석 결과에서 얻은 하중에 따른 시 편의 중앙지점에서의 변위와 실험에서 얻은 하중-처짐 곡선 데이터와 비교를 하였다.
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제작된 시편으로부터 ASTM을 참고하여 각 실험에 맞는 시편 규격으로 재단하였다.
대상 데이터
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심재는 알루미늄 하니컴 코어(A1-3/8"-5052-0.0026 ")를 사용하였다.
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구조 손상 모사는 직경 10mm의 인덴터를 적용하여 압입 손상을 모사하였다.
- 시편의 모델링은 면재는 2차원쉘 요소(QUAD4) 를 사용하고, 심재는 3차원 솔리드 요소 (HEXA8)를. 사용하였다.
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허니컴 샌드위치 복합재료적층판 성형시 면재는 카본/에폭시 일방향 프리프레그 (carbon/epoxy unidirectional prepreg, 한국화이바 HT145/RS1222)를 상하면에 각 4장씩[0/90]2와 같이 적층하였다.
데이터처리
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하지만 손상 정도가 그 이상인 CASE 2와 CASE 3의 경우 손상 부위를 중심으로 강도 저하가 급격히 발생하였다. 5) 유한 요소 해석을 통해 3점 굽힘 해석, 좌굴 해석을 수행하여 시험 결과 및 이론 결과와 비교분석하였다.
- 실험결과와 이론적 해석 결과의 비교 분석을 위해 유한 요소해석을 수행하여 구조거동을 비교하였다.
이론/모형
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압축 시험은 ASTM C364를 참조하여 시험을 수행하였다.
성능/효과
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2) 압입 손상 후 압축 강도와 굽힘 강도는 압입량이 클수록 저하하였다.
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3) 길이 방향 압축 실험에서 손상의 증가에 따라 잔류강도가 감소하였고, 면재의 크랙 현상과 심재가 완전히 붕괴된 CASE 3단계 에서는 본래 강도보다 급격히 감소한 약 37%로 나타남을 알 수 있었다.
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Case 2, 3의 경우는 압입에 의해 이미 면재의 파괴가 발생한 경우이기 때문에 급격한 하중 감소는 보이지 않았지만 전체적으로 면재의 파괴가 진전되면서 손상이 없는 시편의 경우보다 강도가 확연히 감소하였음을 확인하였다.
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Case 2에서는 2.7mm의 압입량으로 면재의 영구 압입이 나타났고, 절단된 시편의 단면을 통해 코어의 붕괴가 일어난 것을 확인하였고 잔류강도를 비교해보면 손상 부위에서 인장, 압축 시 각각 4.7%, 5.1% 강도가 떨어진 것을 확인하였다.
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복합재구조의 압축 및 전단 강도보다 인장 강도가 우수한 일반적인 특성에 따라 본 연구에서도 손상부위가 인장인 경우보다 대체로 압축인 경우 잔류강도의 감소가 크게 나타남을 확인하였다.
- 본 연구에서 압축 파괴 모드는 Euler buckling의 파괴 모드가 확인되었으며 이론식과 비교 분석한 결과 Table 1에서 제시한 n=0.5에 해당하는 파괴 모드로 확인되었다.
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선형 탄성 영역에서는 이론값과 실험 값이 일치하였고 유한요소 해석 결과와는 전체적인 변형 양상은 실험결과와 유사하였으나 걸과값에 있어서 이론값과는 다소 차이가 있었다.
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시험결과 Fig.
7과 같이 손상 전보다 최대 압축 하중이 크게 감소하였다.
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인장 시 본래 강도의 22.3% 감소했으며, 압축시 조금 더 증가한 28.3%가량 잔류강도가 감소하는 경향을 보였다.
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전체적으로 손상을 받은 시편이 압축을 받으며 심재의 심한 변형과 함께 굽힘이 발생하며, 최종적으로 면재파괴가 진전되는 동일한 결과를 보였다.
- 해석 결과 시험 및 이론 결과와 비교적 잘 일치함을 확인하였다.
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