[논문]진주조개를 모방한 생체모방 복합재료의 저속충격 해석

조승운; 범현규

doi:10.7234/kscm.2010.23.4.001

진주조개를 모방한 생체모방 복합재료의 저속충격 해석
Analysis of Low Velocity Impact on Biomimetic Composites Mimicking Nacre 원문보기

복합재료 : 한국복합재료학회지 = Journal of the Korean Society for Composite Materials, v.23 no.4, 2010년, pp.1 - 6

조승운 (인하대학교 대학원 기계공학과) , 범현규 (인하대학교 기계공학과)

초록
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진주조개를 모방한 생체모방 복합재료의 저속충격 하에서의 동적 거동에 대해 연구하였다. 이러한 복합재료는 단백질과 미네랄 층이 계층구조를 이루고 있다. 유한요소해석을 사용하여 복합재료의 충격거동을 해석하였다. 복합재료의 계층구조가 동적 거동에 미치는 영향을 고찰하였다. 생체모방구조물은 계층구조의 차수가 높아짐에 따라 저속충격에 대해 충격지점에서 구조물이 받는 최대 응력과 변위, 접촉하중을 감소시킨다.

Abstract ▼ AI-Helper

The dynamicresponse of biomimetic composites mimicking nacre under low velocity impact is investigated. The composites have hierarchical structures with a staggered pattern consisting of a protein and a mineral. To analyze the impact response of the composites, the finite element method is used. The effects of the hierarchical structures of the compositeson the dynamic response are examined. It is shown that the maximum stress, displacement and contact force in the composite subjected to low velocity impact decrease as the level of structural hierarchy increases.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문은 다층구조물에 충격이 가해지는 동적인 문제의 해석을 다루고 있다. 충격에 관한 문제는 통상적으로 댐핑 (damping)을 무시하고 시간에 따른 과도응답 특성의 동적 평형 방정식(transient dynamic equilibrium equation)으로 다음과 같이 나타낼 수 있다[8].
본 논문은 조개의 계층구조 형상을 모방한 복합재료의 저속충격 하의 동적 거동에 대해 연구하였다. 외부 충격에 의해 단종재료와 이를 조합한 이종재료, 그리고 계층구조재료의 시간에 따른 응력, 변위, 접촉하중 등의 특성을 비교 연구하였다.
진주조개의 벽돌-모르타르의 구조적 형상과 계층구조를 가지고 있는 생체모방 복합재료의 저속충격에 대한 동적 거동을 알아보았다. 발사체가 구조물에 충격을 가하고 충격점 부근에서 시간에 따른 응력과 변위를 알아보았다.

제안 방법

3차원 시뮬레이션 요소(element)는 Solid 164 explicit 3-d structural solid를 사용하였다. 3차원 시뮬레이션을 하는데 tetra hexagonal element 메시(mesh)를 하였고, 구조물의 길이부분은 고정하여 충격에 대한 구조물의 상태를 비교하였다.Fig.
3차원 시뮬레이션을 하는데 tetra hexagonal element 메시(mesh)를 하였고, 구조물의 길이부분은 고정하여 충격에 대한 구조물의 상태를 비교하였다.Fig. 2에 나타나 있는 각각의 다층복합재료 구조에 대해 초기속도 20m/s의 충격체가 중력가속도로 하강할 때에 대하여 시간에 따른 충격점 부근의 응력(stress)과 변위(displacement) 를 해석하였다.
Gao[3]가 단백질과 미네랄로 이루어진 생체복합재료(bio composite)를 단순화한 인장전단 모델(tension shear chain model)을 통해서 생체재료 구조의 유효탄성계수(effective Young’s modulus)를 다음과 같이 제안했다[4].
외부 충격에 의해 단종재료와 이를 조합한 이종재료, 그리고 계층구조재료의 시간에 따른 응력, 변위, 접촉하중 등의 특성을 비교 연구하였다. 그리고 이러한 해석결과를 바탕으로, 생체재료를 모방한 다층구조물의 저속충격 거동을 고찰하였다.
다층복합재료 모형들에 저속충격이 가해지는 상황을 ANSYS/ LS-DYNA를 이용하여 시간에 따른 유한요소해석을 수행하 였다. 3차원 시뮬레이션 요소(element)는 Solid 164 explicit 3-d structural solid를 사용하였다.
진주조개의 벽돌-모르타르의 구조적 형상과 계층구조를 가지고 있는 생체모방 복합재료의 저속충격에 대한 동적 거동을 알아보았다. 발사체가 구조물에 충격을 가하고 충격점 부근에서 시간에 따른 응력과 변위를 알아보았다. 일정한 속도의 외부 발사체 강구의 충격에 대해 단일재료인 미네랄과 단백질이 받는 큰 응력을 이종재료로 구성되어 다층구조를 이룸으로써 구조물이 받는 최대응력과 최대변위가 감소했다.
본 논문은 조개의 계층구조 형상을 모방한 복합재료의 저속충격 하의 동적 거동에 대해 연구하였다. 외부 충격에 의해 단종재료와 이를 조합한 이종재료, 그리고 계층구조재료의 시간에 따른 응력, 변위, 접촉하중 등의 특성을 비교 연구하였다. 그리고 이러한 해석결과를 바탕으로, 생체재료를 모방한 다층구조물의 저속충격 거동을 고찰하였다.
이종재료인 미네랄과 단백질을 사용하여, Fig. 2와 같은 다층복합재료 모형들을 모델링하였다. Fig.
크기 630mm × 51mm × 400mm 의 판 모형 구조물에 공기저항을 무시한 질량 30g, 반경 15mm의 강구(rigid ball)의 충격체가 10mm 위치의 높이에서 일정한 속도 20m/s로 부딪힐 때를 모델링 하였다.

대상 데이터

다층복합재료 모형들에 저속충격이 가해지는 상황을 ANSYS/ LS-DYNA를 이용하여 시간에 따른 유한요소해석을 수행하 였다. 3차원 시뮬레이션 요소(element)는 Solid 164 explicit 3-d structural solid를 사용하였다. 3차원 시뮬레이션을 하는데 tetra hexagonal element 메시(mesh)를 하였고, 구조물의 길이부분은 고정하여 충격에 대한 구조물의 상태를 비교하였다.

이론/모형

Sun[10]은 이러한 Hertz 법칙을 사용하여 수정된 접촉법칙을 적용하여 충격 문제 등에 적용하였다. Sun[10]의 일련의 방법을 적용하여 복합적층판의 저속충격거동을 해석한 논문[11]을 참고하였다. 접촉법칙은 다음과 같다.
본 논문에서는 충격거동의 동적 현상을 알아보기 위해 Hertz 접촉법칙(Hertz contact law)을 사용 하여 미네랄과 단백질로 이루어진 각각의 모델들에 대하여 이론적인 해석을 시도하였다. 두 물체 사이에 발생하는 압입량(indentation)은 Hertz 접촉법칙을 사용하여 충돌 시 발생하는 접촉하중으로 치환 가능하다. Sun[10]은 이러한 Hertz 법칙을 사용하여 수정된 접촉법칙을 적용하여 충격 문제 등에 적용하였다.
저속충격에 대한 전형전인 결과의 해석방법은 시간에 따른 충격하중이력이나 충격 후 구조물의 에너지 해석에 의한 에너지이력, 실험을 통한 충격 후 압축 시험(CAI) 등 다양한 방법이 사용되고 있다. 본 논문에서는 충격거동의 동적 현상을 알아보기 위해 Hertz 접촉법칙(Hertz contact law)을 사용 하여 미네랄과 단백질로 이루어진 각각의 모델들에 대하여 이론적인 해석을 시도하였다. 두 물체 사이에 발생하는 압입량(indentation)은 Hertz 접촉법칙을 사용하여 충돌 시 발생하는 접촉하중으로 치환 가능하다.
저속충격을 받는 다층복합재료의 해석을 수치적으로 계산 하기 위해 ANSYS/LS-DYNA를 이용하였다. 크기 630mm × 51mm × 400mm 의 판 모형 구조물에 공기저항을 무시한 질량 30g, 반경 15mm의 강구(rigid ball)의 충격체가 10mm 위치의 높이에서 일정한 속도 20m/s로 부딪힐 때를 모델링 하였다.
저속충격의 충격에너지가 클 경우는 관통현상이 발생하기 때문에 충격에너지를 약 6J로 임의 규정하였다. 해석에 사용된 본 구조물의 판 모형의 미네랄과 단백질, 충격체의 물성치는 Bertoldi[9]의 논문을 참고하였으며, Table 1에 나타내었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	복합재료로 이루어진 다층구조물의 사용이 증가하는 이유는 무엇인가?	이종재료의 장점을 이용하면서 동시에 경량화를 이룰 수있다는 이점 때문에 복합재료로 이루어진 다층구조물의 사용이 증가하고 있다. 다층복합재료로 이루어진 기계 부품들은 불가피하게 동적 하중이나 충격 하중 하의 상황에 처하게 된다.
	저속충격은 어떤 조건으로 나눌 수 있는가?	저속충격은 일반적으로 충격체의 질량이 작고 속도가 빠르 거나, 질량이 크고 속도가 다소 느린 두 가지의 조건으로 나눌 수가 있다. 충격체가 구조물과 부딪힐 때의 충격에너지는 통상 15J 이하의 에너지로 규정한다.
	본 연구에서 진주조개의 벽돌-모르타르의 구조적 형상과 계층구조를 가지고 있는 생체모방 복합재료의 저속충격에 대한 동적 거동을 확인한 결과는 어떠한가?	발사체가 구조물에 충격을 가하고 충격점 부근에서 시간에 따른 응력과 변위를 알아보았다. 일정한 속도의 외부 발사체 강구의 충격에 대해 단일재료인 미네랄과 단백질이 받는 큰 응력을 이종재료로 구성되어 다층구조를 이룸으로써 구조물이 받는 최대응력과 최대변위가 감소했다. 계층구조의 차수가 높아짐에 따라 단백질의 부피비율이 증가 하고 전체적으로 유연한 성질을 가지게 된다. 또한 상대적으로 단백질의 밀도가 작기 때문에 전체 구조물의 경량화를 이룰 수 있다. 이러한 계층구조의 생체모방 다층구조물은 외부 충격에 대한 응력과 변위를 감소시키는 경향성을 띈다.

참고문헌 (12)

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상세보기
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H. Gao, "Application of Fracture Mechanics Concepts to Hierarchical Biomechanics of Bone and Bone-like Materials," International Journal of Fracture, Vol. 138, 2006, pp. 101-137.

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N. C. Broedling, A. Hartmaier, M. J. Buehler and H. Gao, "The Strength Limit in a Bio-inspired Metallic Nanocomposite," Journal of the Mechanics and Physics of Solids, Vol. 56, 2008, pp. 1086-1104.

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원문보기 상세보기
ANSYS/ LS-DYNA User's Guide.
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상세보기
J. K. Chen and C. T. Sun, "Dynamic Large Deflection Responseof Composite Laminates Subjected to Impact," Composite Structures, Vol. 4, 1985, pp. 59-73.

상세보기
최익현, "초기 면내하중을 받는 복합적층판의 저속충격 거동 및 손상해석," 한국복합재료학회지, 제22권 제1호, 2009, pp. 1-7.

원문보기 상세보기
S. H. Yang and C. T. Sun, "Indentation Law for Composite Laminates," ASTM STP 787, 1981, pp. 425-449.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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