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문제 정의
- 본 연구에서는 단방향 케블라/에폭시 및 탄소-케블라/에폭시로 제작된 복합소재 튜브에 대한 해석기법을 확립하고 이를 시험과 비교를 통해 검증하였다. 이를 위해 상용 외연적 유한요소 코드인 LS-DYNA를 사용하였고, 2D 쉘 유한요소 모델에 트리거 모델을 적용하여 에너지 흡수 특성을 해석적 방법으로 확인하였다.
제안 방법
- 복합재는 충격속도 6m/sec까지는 압괴거동이 속도에 무관한 것으로 알려져 있다[10]. 따라서 본 연구에서는 먼저 압괴속도에 대한 튜브의 거동과 에너지 흡수특성을 분석하여 해석상의 압괴속도를 결정하였다. 유한요소 모델링상에서 튜브의 압괴는 Fig.
- 시험속도 10mm/min는 해석에 적용하기에 시간적 문제가 발생한다. 따라서 전체 해석에 앞서 해석시간 단축을 위한 압괴속도를 결정 하였다. 시험속도인 10mm/min과 1, 2, 4, 6m/s의 압괴속도를 해석하여 Fig.
- 10mm/min의 압괴속도를 사용한 해석이 시험과 가장 유사한 에너지 특성과 거동을 보였으며, 압괴속도 1, 2, 4, 6m/s의 해석은 좌굴이나 점진적접힘 등의 압괴 거동은 다소 상이하지만 에너지흡수특성에서는 차이를 보이지 않는다. 따라서 해석상의 압괴속도는 철도차량 안전기준에 관한 지침 [1]의 표준충돌사고각본 정면충돌사고각본의 충돌 속도 제4종에 맞춰 4m/s로 설정하였다.
- 하지만 케블라/에폭시 튜브의 경우 연성거동을 보이는 재료이기 때문에 TFAIL=0으로 비활성화 하였다. 또한 해석의 원활한 진행을 위해 CONTROL_SHELL의 NFAIL 옵션을 사용하여, 심하게 뒤틀리는 요소들을 삭제하도록 하였다.
- 복합소재 튜브의 길이방향을 0°, 원주방향을 90°로 섬유 방향을 설정하였다.
- 본 연구에서는 단방향 케블라/에폭시 프리프레그(케블라 섬유 - K49, Dupont, USA)와 단방향 탄소/에폭시 프리프레그 (탄소섬유 - T300, Toray, Japan)를 이용하여 복합소재 튜브를 제작하였다. 프리프레그에 적용된 수지는 R1222 (HFG, Co.
- 본 연구에서는 단방향 케블라/에폭시, 단방향 탄소-케블라/에폭시 튜브의 해석을 수행하여 시험 결과와 비교하였다. 결과로부터 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 사용된 트리거 모델은 상단과 하단 트리거로 나뉘는데, 상단은 최대하중의 값을 결정하고, 하단은 상단 트리거와 튜브의 하중 전달 역할을 하여 트리거만 먼저 파단되는 현상을 막아준다.
- 원형튜브를 압축하기 위한 상, 하 하중판(load platens)은 시험 전에 평형을 확인하였다. 시험 시하중과 크로스헤드의 변위를 기록하였으며 각 소재별 5개의 튜브를 10mm/min의 속도로 시험하였다.
- 압괴과정 중 좌굴에 의한 튜브벽면 간의 접촉을 고려하기 위해 “CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE” 옵션을 사용하였으며 튜브 바닥은 회전 구속 없이 X, Y 변위만 구속시켰다.
- 본 연구에서는 단방향 케블라/에폭시 및 탄소-케블라/에폭시로 제작된 복합소재 튜브에 대한 해석기법을 확립하고 이를 시험과 비교를 통해 검증하였다. 이를 위해 상용 외연적 유한요소 코드인 LS-DYNA를 사용하였고, 2D 쉘 유한요소 모델에 트리거 모델을 적용하여 에너지 흡수 특성을 해석적 방법으로 확인하였다.
- MAT054 재질 모델에서는 취성 복합재료의 해석에 적합하도록 TFAIL(Time step size criteria for element deletion) 옵션을 제공하고 있다. 하지만 케블라/에폭시 튜브의 경우 연성거동을 보이는 재료이기 때문에 TFAIL=0으로 비활성화 하였다. 또한 해석의 원활한 진행을 위해 CONTROL_SHELL의 NFAIL 옵션을 사용하여, 심하게 뒤틀리는 요소들을 삭제하도록 하였다.
- 71을 이용하였다. 해석 시간을 줄이기 위해 모든 요소를 4절점 under integrated Belyrschko-Tsay 쉘로 사용하였고 요소의 크기는 복합재 두께의 2배 크기로 모델링하였다. Under integrated 쉘의 non-physical, 제로-에너지 모드(zero-energy mode)를 억제하기 위해서 Flangan-Belyschko 강성 이론[9]을 적용하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서 수행된 준정적 압축시험은 100kN용량의 만능시험기를 이용하였다. 원형튜브를 압축하기 위한 상, 하 하중판(load platens)은 시험 전에 평형을 확인하였다.
- 본 연구에서는 단방향 케블라/에폭시 프리프레그(케블라 섬유 - K49, Dupont, USA)와 단방향 탄소/에폭시 프리프레그 (탄소섬유 - T300, Toray, Japan)를 이용하여 복합소재 튜브를 제작하였다. 프리프레그에 적용된 수지는 R1222 (HFG, Co.)이다. 복합소재 튜브에 적용된 소재의 기본 물성치는 Table 1과 같다[8].
이론/모형
- 해석 시간을 줄이기 위해 모든 요소를 4절점 under integrated Belyrschko-Tsay 쉘로 사용하였고 요소의 크기는 복합재 두께의 2배 크기로 모델링하였다. Under integrated 쉘의 non-physical, 제로-에너지 모드(zero-energy mode)를 억제하기 위해서 Flangan-Belyschko 강성 이론[9]을 적용하였다.
- 복합재 모델은 Chang-Chang 파손식을 적용한 MAT 054 “MAT_ENHANCED_COMPOSITE_DAMAGE”을 이용하였다.
- 유한 요소 해석은 외연적 코드인 LS-DYNA 9.71을 이용하였다. 해석 시간을 줄이기 위해 모든 요소를 4절점 under integrated Belyrschko-Tsay 쉘로 사용하였고 요소의 크기는 복합재 두께의 2배 크기로 모델링하였다.
성능/효과
- (1) 시험을 통해 케블라/에폭시 튜브는 압괴과정에서 튜브의 좌굴에 의해 불안전한 압괴거동을 보였으며, 탄소-케블라/에폭시 튜브는 점진적인 접힘에 의해 안정적으로 압괴되는 것을 확인하였다.
- (2) Chang-Chang 파손 이론을 적용한 단방향 케블라/에폭시 튜브의 수치해석 모델은 복합재의 복잡한 압괴특성을 효과적으로 나타내어 하중-변위 곡선이 시험결과와 유사하고 단위무게당 흡수에너지는 1.5% 이내에서 일치하였고, 최종 압괴 후 형상 역시 해석모델은 시험결과와 유사한 압괴형상을 모사하였다.
- (3) Chang-Chang 파손 이론을 적용한 단방향 탄소-케블라/에폭시 튜브의 쉘 모델은 복합재의 원주방향 압괴거동을 효과적으로 나타내지 못하여, 단위무게당 흡수에너지는 15.1% 이내에서 일치하였으며 최대 압괴길이는 오차 27.4%로 정확한 예측이 어렵다.
- 6과 Table 4의 해석결과를 얻었다. 10mm/min의 압괴속도를 사용한 해석이 시험과 가장 유사한 에너지 특성과 거동을 보였으며, 압괴속도 1, 2, 4, 6m/s의 해석은 좌굴이나 점진적접힘 등의 압괴 거동은 다소 상이하지만 에너지흡수특성에서는 차이를 보이지 않는다. 따라서 해석상의 압괴속도는 철도차량 안전기준에 관한 지침 [1]의 표준충돌사고각본 정면충돌사고각본의 충돌 속도 제4종에 맞춰 4m/s로 설정하였다.
- 해석에서는 시험결과보다 좌굴 발생이 늦어 압괴 형상은 다소 차이가 있지만, 트리거 부근의 압괴 형상은 유사하게 모사되었다. 해석과 시험의 결과 차이는 이전에 언급한 트리거부 모델링과 실제의 차이, 시험편의 불균일성(시험편의 경우 원형 금속튜브에 복합소재를 말아서 제작하였기 때문에 원주방향으로 시편의 두께가 균일하지 않다) 등에 기인한 것으로 판단된다.
후속연구
- (4) 탄소-케블라/에폭시 튜브의 압괴길이 및 거동을 정밀하게 예측하기 위해서는 원주방향과 길이방향을 표현한 다층(Multi-Layer) 쉘이나 솔리드 요소를 사용하는 수치해석모델에 대한 추가적인 연구가 필요하다.
- 이러한 탄소-케블라/에폭시 튜브의 압괴거동을 본 연구에서 수행한 것 같은 단일 쉘요소로 정확히 예측하기에는 한계가 있었다. 추후 원주방향과 길이방향을 표현한 다층 쉘 요소나 솔리드 요소를 적용한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- 이러한 탄소-케블라/에폭시 튜브의 압괴거동을 본 연구에서 수행한 것 같은 단일 쉘요소로 정확히 예측하기에는 한계가 있었다. 추후 원주방향과 길이방향을 표현한 다층 쉘 요소나 솔리드 요소를 적용한 연구가 필요할 것으로 판단된다. Table 6의 시험과 해석결과간의 비교는 압괴길이를 제외하고 최대오차가 16.
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