직조된 탄소, 유리 및 케블라 섬유 복합소재 튜브의 압축하중하에서 파손 메커니즘 분석 연구 A Study on Failure Mechanisms of Composite Tubes with Woven Fabric Carbon, Glass and Kevlar/epoxy Under Compressive Loadings원문보기
본 연구에서는 탄소, 유리, 케블라 및 탄소-케블라 하이브리드 섬유로 제작된 원형튜브를 이용하여 각 소재별 에너지 흡수특성과 파손메커니즘을 규명하였다. 이를 위해 각 튜브에 대한 10mm/min의 준정적 압축시험을 수행하였다. 시험결과 탄소섬유 튜브가 가장 에너지 흡수특성이 우수했으며 탄소-케블라 하이브리드 섬유 튜브가 가장 낮은 에너지 흡수율을 보였다. 또한, 각 소재별 에너지 흡수메커니즘을 분석한 결과 탄소 및 유리섬유튜브는 취성파괴 모드로 압축되었다. 또한, 케블라 섬유 튜브는 국부좌굴에 의한 접힘모드가 지배적이고, 탄소와 케블라 하이브리드 섬유 튜브의 경우 단층굽힘과 국부좌굴모드가 혼합되어 나타났다.
본 연구에서는 탄소, 유리, 케블라 및 탄소-케블라 하이브리드 섬유로 제작된 원형튜브를 이용하여 각 소재별 에너지 흡수특성과 파손메커니즘을 규명하였다. 이를 위해 각 튜브에 대한 10mm/min의 준정적 압축시험을 수행하였다. 시험결과 탄소섬유 튜브가 가장 에너지 흡수특성이 우수했으며 탄소-케블라 하이브리드 섬유 튜브가 가장 낮은 에너지 흡수율을 보였다. 또한, 각 소재별 에너지 흡수메커니즘을 분석한 결과 탄소 및 유리섬유튜브는 취성파괴 모드로 압축되었다. 또한, 케블라 섬유 튜브는 국부좌굴에 의한 접힘모드가 지배적이고, 탄소와 케블라 하이브리드 섬유 튜브의 경우 단층굽힘과 국부좌굴모드가 혼합되어 나타났다.
In this study, the failure modes and energy absorption characteristics of four different kinds of circular tubes made of carbon, glass, Kevlar and carbon-Kevlar hybrid fibres composites with epoxy resin have been evaluated. To achieve these goals, compressive tests were conducted for the tubes under...
In this study, the failure modes and energy absorption characteristics of four different kinds of circular tubes made of carbon, glass, Kevlar and carbon-Kevlar hybrid fibres composites with epoxy resin have been evaluated. To achieve these goals, compressive tests were conducted for the tubes under 10mm/min loading speed. Based on the test results, the carbon/epoxy tube showed the best energy absorption capability, while carbon-Kevlar/epoxy tubes were worst. In the failure mode during crushing, both of the carbon/epoxy tubes and the glass/epoxy tubes were crushed by brittle fracturing mode. The Kevlar/epoxy tubes were collapsed by local buckling mode like steel, while the carbon-Kevlar hybrid tubes were collapsed by mixed mode of local buckling and lamina bending.
In this study, the failure modes and energy absorption characteristics of four different kinds of circular tubes made of carbon, glass, Kevlar and carbon-Kevlar hybrid fibres composites with epoxy resin have been evaluated. To achieve these goals, compressive tests were conducted for the tubes under 10mm/min loading speed. Based on the test results, the carbon/epoxy tube showed the best energy absorption capability, while carbon-Kevlar/epoxy tubes were worst. In the failure mode during crushing, both of the carbon/epoxy tubes and the glass/epoxy tubes were crushed by brittle fracturing mode. The Kevlar/epoxy tubes were collapsed by local buckling mode like steel, while the carbon-Kevlar hybrid tubes were collapsed by mixed mode of local buckling and lamina bending.
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문제 정의
본 연구에서는 국내 철도차량분야에 적용되고 있거나 적용 가능한 소재에 대한 에너지 흡수특성을 평가하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
원형튜브의 이러한 치수는 튜브의 점진적(progressive) 인 압괴를 유도하기 위해 설정하였다[5, 6]. 또한, Fig. 4에서 알 수 있듯이 제작된 튜브의 한쪽 끝은 튜브 압축 시 초기 최대하중(initial peak load)을 낮추고 점진적 인 파손(progressive failure) 에 의한 안정적인 압괴를 유도하기 위한 트리거 장치(trigger mechanism)로 45도로 모서리를 가공하였다.
본 연구에서 수행된 준정적 압축시험은 100kN 용량의 유압식 만능시험기를 이용하였다. 원형튜브를 압축하기 위한 상하 하중판(load platens)은 시험전에 평형을 확인하였다.
본 연구에서는 복합소재 원형튜브의 압죽시험을 통해 얻어진 하중-변위선도를 이용하여 각 소재별 에너지 흡수 특성을 구하였다. 특히, 소재별 에너지 흡수특성을 평가하기 위해 단위무게당 흡수에너지(SEA)를 계산하여 비교하였다.
본 연구에서는 현재 철도차량에 적용되고 있는 직물 탄소 및 유리섬유와 향후 적용이 예상되는 케블라 섬유와 탄소케블라 하이브리드 섬유를 이용하여 원형튜브를 제작하고 준정적 압축시험을 수행하였다. 이를 통해 각 소재별 압축시 미시적/거시적 파손메커 니즘을 분석하고 이러한 파손메커니즘과 에너지 흡수특성과의 연관성을 평가하였다.
준정적 압축시험을 수행하였다. 이를 통해 각 소재별 압축시 미시적/거시적 파손메커 니즘을 분석하고 이러한 파손메커니즘과 에너지 흡수특성과의 연관성을 평가하였다.
구하였다. 특히, 소재별 에너지 흡수특성을 평가하기 위해 단위무게당 흡수에너지(SEA)를 계산하여 비교하였다. 이때 단위무게당 흡수에너지는 식 (1)과 같이 튜브 전체 길이에서 흡수에 기여한 무게(crushed weight)만을 고려하였다.
대상 데이터
1mm의 길이로 제작된 튜브는 다이아몬드 와이어를 이용하여 습식으로 절단하여 절단후 절단면의 갈라짐을 방지하였다. 모든 튜브는 한국화이바의 R1222 에폭시 수지를 적용하였다.
본 연구에서는 직조된 탄소, 유리, 케블라 및 탄소케블라 하이브리드 총 4종류의 소재를 이용하여 원형튜브를 제작하였다. 원형튜브의 제작과정은 먼저 직조된 프리프레그(prepreg)를 원형 금속파이프에 렙 퍼 (wrapper 또는 wrapping machine)를 이용하여 감고, 이를 오븐에서 성형하여긴 복합소재 원형파이프를 제작한다.
데이터처리
그리고 모든 튜브는 10mm/min의 속도로 압축되었다. 시험시 하중과 크로스헤드의 변위를 기록하였으며 각 소재별 5개의 튜브를 시험하여 결과를 평균하였다.
성능/효과
1. 탄소섬유 튜브가 가장 우수한 무게당 에너지 흡수 특성을 보였고 케블라, 유리 및 탄소-케블라 하이브리드 섬유 순이었다.
2. 탄소와 유리섬유 튜브는 취성파괴모드가 지배적이었고, 케블라 섬유의 경우 국부좌굴에 의한 접힘 모드가 지배적이었다. 그러나, 탄소와 케블라 하이브리드 섬유 튜브의 경우 단층굽힘과 국부좌굴모드가 혼합되어 나타났다.
3. 파단면 관찰을 통해 취성섬유의 경우 층간파괴와 섬유 파단이 지배적인 미시적 파손메커니즘임을 확인하였다. 4.
파단면 관찰을 통해 취성섬유의 경우 층간파괴와 섬유 파단이 지배적인 미시적 파손메커니즘임을 확인하였다. 4. 선형회귀분석을 통해 각 튜브소재의 층간물성과 총 흡수에너지는 상당한 연관성이 있음을 확인하였다.
Fig. 9에서 알 수 있듯이 본 연구의 경우에도 총흡수에너지는 층간전단강도 및 모우드 I 층간파괴인성, G/c와 회귀계수의 제곱(square of regression coefficient), *가 각각 0.76과 0.64로 꽤 연관성 이 있음을 확인할 수 있었다.
의해 에너지를 흡수함을 확인하였다. 또한, 에너지흡수율을 극대화시키기 위해서는 수지의 파단변형률이 섬유의 파단변형률보다 높은 것이 유리함을 확인하였다. Warrior 등[기은 수지의 물성에 따른 복합소재 원형튜브의 SEA를 분석하여 수지의 압축강도가 SEA와 가장 밀접한 연관성을 있음을 확인하였다.
마지막으로, 점진적 인 파손영역 에서 발생한 복합소재 튜브의 파편(debris)과 내부로 말려들어가는 잎구조(fipnd)가 튜브 내부에 쌓여서 하중이 급격히 증가하는 쌓임영역(stacking stage)으로 구분된다. 본 시험에서 약 3~4mm 압축지점까지가 탄성영역이었고 약 70mm 압축시 탄소 및 유리섬유 튜브에서 쌓임영역이 시작되었다. 케블라와 탄소-케블라 하이브리드 튜브는 취성파괴가 아닌 좌굴에 의한 접 힘 모드로 압축되기 때문에 튜브 벽면이 점진적으로 접히면서더 이상 접히지 않는 약 80mm부분에서 하중이 급격히 증가하였다 .
이상의 문헌조사를 통해 복합소재의 단위 무게당 에너지 흡수(specific energy absorption, SEA)특성은 다양한 인자에 의해 결정됨을 알 수 있었다. Fig.
취성 파손모드로 파손되는 탄소섬유 튜브가 총 흡수에 너 지 (total absorbed energy) 및 SEA관점에 가장 우수한 것으로 나타났으며, 탄소-케블라 섬유 튜브가 가장 낮은 에너지 흡수 특성을 보였다. 유리섬유 튜브의 경우 총 흡수에너지는 탄소섬유 다음으로 많으나 유리섬유 튜브의 무게가 케블라에 비해 약 1.
참고문헌 (9)
김정석, 정종철, 한정우, 이상진, 김승철, 서승일(2006),"한국형틸팅열차용 복합재 차체의 하중적재에 따른 구조적 특성고찰," 한국철도학회지, 제9권 제3호, pp. 251-256
Kim, J. S. and Cheong, S. K.(2007), "A Study on the Low Velocity Impact Response of Laminates for Composite Railway Bodyshells," Composite Structures, Vol. 77, pp. 484-492
Kim J. S., Cheong, J. C. and Lee, S. J.(2008), "Numerical and Experimental Studies on the Deformational Behavior of a Composite Train Carbody of the Korean Tilting Train," Composite Structures, Vol. 81, pp. 225-241
Thornton, P. H. and Edwards, P. J.(1982). "Energy Absorption in Composite Tubes," Journal of Composite Materials, Vol. 16, November, pp. 521-544
Farley, Gary L., Bird, Richard K., and Modlin, John T.(1989), "The Role of Fiber and Matrix in Crash Energy Absorption of Composite Materials," Journal of the American Helicopter Society, April, pp. 52-58
Warrior, N. A., Turner, T. A., Cooper, E. and Ribeaux, M.(2008), "Effects of Boundary Conditions on the Energy Absorption of Thin-walled Polymer Composite Tubes Under axial Crushing," Thin-Walled Structures Vol. 46, pp. 905-913
Chasemnejad, H., Blackman, B. R. K., Hadavinia, H., and Sudall, B.(2009), "Experimental Studies on Fracture Characteri-zations and Energy Absorption of GFRP Composite Box Structures," Composite Structures Vol. 88, pp. 253-261
Hadavinia, H. and Ghasemnejad, H.(2009), "Effects of Mode-I and Mode-II Interlaminar Fracture Toughness on the Energy Absorption of CFRP Twill/weave Composite Box Sections," Composite Structures Vol. 89, pp. 303-314
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