[논문]허니콤 샌드위치 복합소재 정사각 튜브의 셀 크기에 따른 압축거동평가

김정석; 윤혁진; 권태수

[국내논문] 허니콤 샌드위치 복합소재 정사각 튜브의 셀 크기에 따른 압축거동평가
Investigation of Cell Size Effects of Honeycomb Sandwich Composite Square Tubes Under Compressive Loadings 원문보기

한국철도학회 논문집 = Journal of the Korean Society for Railway, v.13 no.1 = no.56, 2010년, pp.31 - 36

김정석 (한국철도기술연구원, 철도구조연구실) , 윤혁진 (한국철도기술연구원, 철도구조연구실) , 권태수 (한국철도기술연구원, 철도구조연구실)

초록
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본 연구에서는 직조된 탄소/에폭시 판재와 알루미늄 허니콤 심재를 갖는 샌드위치 복합소재 정사각 튜브의 압축하에서 허니콤 셀 크기의 효과를 규명하였다. 이를 위해, 4종류의 사각튜브가 제작되고 10mm/min의 준정적 하중하에서 200mm~250mm까지 압축하였다. 본 연구에서는 6.35mm와 9.53mm의 셀 크기를 갖는 알루미늄 허니콤에 사용되었다. 평균압축하중과 셀 크기의 관계가 규명되었고, 평균압축하중에 대한 판재와 허니콤의 접착강도(peel strength)와 리본방향의 등가탄성계수의 영향을 분석하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The objective of this study is to evaluate effects of honeycomb cell size for compressive behaviors of square sandwich composite tubes with woven fabric carbon/epoxy skin and Al honeycomb core. In order to achieve these goals, four different kinds of tubes were fabricated and compressed to 200mm~250mm under quasi-static load of 10mm/min. The Al honeycombs with cell size of 6.35mm and 9.53mm were used. The relationship of mean compressive load and cell size was evaluated. In addition, the effect of peel strength and equivalent elastic modulus in ribbon direction for the mean compressive load was investigated.

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문제 정의

본 연구에서는 철도차량과 같은 사각형 박스형태의 허니콤 샌드위치 복합소재 사각형 튜브를 제작하여 압축 하중하에서 허니콤 셀 크기에 따른 거동을 고찰하였다. 제작된 허니콤 샌드위치 튜브는 철도차량 차체에 많이 적용되고 있는 탄소/에폭시 판재와 6.
본 연구에서는 허니콤 샌드위치 복합재 정사각 튜브를 제작하여 허니콤 셀 크기가 압축거동에 미치는 영향을 시험적으로 평가하였다. 이를 위해 Table 1과 같이 셀 크기가 6.
본 연구에서는 철도차량과 같은 사각형 박스형태의 허니콤 샌드위치 복합소재 사각형 튜브를 제작하여 압축 하중하에서 허니콤 셀 크기에 따른 허니콤과 판재의 접착강도 및 허니콤 리본방향 강성이 사각튜브 압축시 발생하는 평균하중 및 파손거동에 미치는 영향을 분석하였다.

가설 설정

1kN ((a)) 에 도달하고 이후 (b)점까지 급격히 감소하였다. (b)점 이후 균열의 진전과 중단에 의해 하중은 증감을 반복하였다. (b) 점 이후 튜브는 Fig.
① 본 시험에 적용된 튜브는 최대하중을 감소시키기 위한 트리거 부분이 없기 때문에 초기하중과 평균하중비가 크다. ② 원형튜브와 달리 사각튜브의 특성상 4개의 모서리부가 보강재 역할을 하기 때문에 파손 발생 전에는 상당히 큰 하중을 지지하게 되나 튜브벽면의 파단과 이어지는 모서리부에 균열진전이 시작되면서 하중은 급격히 감소하게 된다.

제안 방법

53mm의 셀 크기를 갖는 알루미늄 허니콤을 이용하여 제작되었다. 이를 통해 압축 하중하에서 셀 크기에 따른 허니콤과 판재의 접착강도(peel strength) 및 허니콤 리본방향 강성이 사각튜브 압축 시 발생하는 평균하중 및 파손거동에 미치는 영향을 분석하였다.
본 연구에서 수행된 준정적 압축시험은 Fig. 4와 같이 MTS사의 3, 000kN용량의 유압식 만능시험기를 이용하였다. 튜브를 압축하기 위한 상하 하중판(load platens)은 시험전에 평형을 확인하였다.
그리고 모든 튜브는 lOmm/min 의 속도로 200mm~250mm까지 압축하였다. 시험시 하중과 크로스헤드의 변위를 기록하였다.
허니콤 셀 크기에 따른 판재와 접착강도는 (주)한국화이바에서 본 연구에 사용된 동일한 Bondex606 접착필름과 허니콤을 이용하여 Fig. 12와 같이 ASTM D 1781 기준에 근거하여 드럼 필 시험(drum peel test)< 통해 평가하였다[9]. 적용된 판재는 두께가 1mm인 알루미늄 판이었다.
셀 밀도 변화에 따른 리본방향 강성의 변화를 고찰하기 위해 육각형 허니콤의 리본방향 등가강성 (equivalent elastic modulus)을 이용하였다. 허니콤에 대한 리본방향 등가강성은 Gibson과 Ashby[5] 에 의해 식 (2)와 같은 형태로 제안되었다.

대상 데이터

제작된 허니콤 샌드위치 튜브는 철도차량 차체에 많이 적용되고 있는 탄소/에폭시 판재와 6.35mm와 9.53mm의 셀 크기를 갖는 알루미늄 허니콤을 이용하여 제작되었다. 이를 통해 압축 하중하에서 셀 크기에 따른 허니콤과 판재의 접착강도(peel strength) 및 허니콤 리본방향 강성이 사각튜브 압축 시 발생하는 평균하중 및 파손거동에 미치는 영향을 분석하였다.
평가하였다. 이를 위해 Table 1과 같이 셀 크기가 6.35mm 와 9.53mm인 두 가지 알루미늄 허니콤을 이용하여 길이가 300mm이고 사면의 길이가 각각 15(hnin와 300 mm인 4종류의 밑면이 정사각형인 샌드위치 복합재 튜브를 2개씩 제작하였다. Table 1의 T300과 T150은 각각 튜브의 사면의 길이가 300mm와 150m인 튜브를 의미하고, 2_8과 3_8은 적용된 허니콤의 셀 크기를 인치로 표기한 것이다.
튜브의 판재는 단층 두께가 0.7nun인 평직 CF123 탄소/ 에폭시 프리프레그(HFG Co.)를 사용하였고, 심재는 알루미늄 3104(G Ce)로 제작된 허니콤을 사용하였다. 그리고 판재와 허니콤의 접착은 Bondex606 접착필름(HFG Co.
)을 적용하였다. 제작된 튜브의 외부판재의 두께는 3.5 mm, 내부판재는 1.4mm이고 알루미늄 허니콤은 10mm의 두께를 갖는다. 본 연구에서 사용한 알루미늄 허니콤의 주요치수는 Fig.
4mm이고 알루미늄 허니콤은 10mm의 두께를 갖는다. 본 연구에서 사용한 알루미늄 허니콤의 주요치수는 Fig. 1과 Table 2에 나타내었다.
12와 같이 ASTM D 1781 기준에 근거하여 드럼 필 시험(drum peel test)< 통해 평가하였다[9]. 적용된 판재는 두께가 1mm인 알루미늄 판이었다.

성능/효과

시험 결과 6.35mm와 9.53mm의 허 니 콤의 접착강도는 각각 149m-N과 101.7m-N로 6.35mm 허니콤이 3/8에 비해 약 46.5%정도 접착강도가 높게 평가되었다. 이상의 결과에서 알 수 있듯이 허니콤과 판재의 접착강도의 증가량은 접착면적의 증가량과 거의 일치함을 알 수 있었다.
5%정도 접착강도가 높게 평가되었다. 이상의 결과에서 알 수 있듯이 허니콤과 판재의 접착강도의 증가량은 접착면적의 증가량과 거의 일치함을 알 수 있었다.
2. 압축시 파손모드는 T150 튜브의 경우 하중초기에는 튜브벽면이 내외부로 벌어지고 이후 4개의 모서리를 기준으로 튜브의 길이방향으로 균열이 발생하여 진전하면서 점진적으로 압축되는 반면, T300튜브는 압축과정에서 벽면이 튜브의 횡방향으로 파단되면서 압축되고 압축의 최종단계에서는 국부적인 좌굴거동도 관찰되었다. 허니콤 셀 크기의 변화는 파손모드에 영향을 미치지 않았다.
3. 6.35mm와 9.53mm의 혀니콤의 접착강도는 각각 149 m-N과 101.7m-N로 6.35mm허니콤이 9.53mm에 비해 약 46.5%정도 접착강도가 높게 평가되었다. 이것은 접착면적의 증가량과 거의 일치함을 알 수 있었다.
4. 6.35mm와 9.53mm 허니콤의 리본방향 등가강성은 0.86 GPa과 0.39GPa로 6.35mm 허니콤이 9.53mm에 비해 약 2.24배 정도 높았으며, 등가강성이 접착강도에 비해 민감도가 큰 것을 알 수 있다.
1. 최대하중에 대한 평균하중의 비인 하중효율 허니콤의 셀 크기가 증가할수록 동일한 높이에서 사면의 길이가 길수록 감소하였다.

참고문헌 (9)

김정석, 정종철, 한정우, 이상진, 김승철, 서승일(2006), "한국형틸팅열차용 복합재 차체의 하중적재에 따른 구조적 특성고찰," 한국철도학회논문집, 제9권, 제 3호, pp.251-256.

원문보기 상세보기
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상세보기
J. S. Kim, J. C. Cheong, and S. J. Lee (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.
고희영, 신광복, 정종철(2009), "샌드위치 복합재 적용 바이모달트램 차체의 설계검증을 위한 구조성능 시험 및 해석적 비교 연구," 한국철도학회논문집, 제 12권, 제4호, pp.518-525.

원문보기 상세보기
L. J. Gibson, M. F. Ashby, G. S. Schajer, and C. I. Robertson (1982), "The mechanics of two-dimensional cellular materials," Proc. R. Sco. Lond., Vol. A382, pp. 25 .
I. G. Masters and K. E. Evans (1996), "Models for the elastic deformation of honeycombs," Composite Structures, Vol. 35, pp. 403-422.

상세보기
S. Balawi and J. L. Abot (2009), "The effect of honeycomb relative density on its effective in-plane elastic moduli: An experimental study," Composite Structures Vol. 84, pp. 293-299.
D. H. Chen and S. Ozaki (2009), "Analysis of in-plane elastic modulus for a hexagonal honeycomb core: Effect of core height and proposed analytical method," Composite Structures, Vol. 88, pp. 17-25.

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http://hc.fiber-x.comlprodlprod _ dev honeycomb test.asp

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