풀아웃 하중을 받는 복합재 샌드위치 체결부의 파손 거동을 시험으로 연구하였다. 체결의 방식과 코어의 종류를 달리하여 5종류, 총 30개의 시편에 대해 시험을 수행하였다. 시험 결과, 노멕스 하니콤 코어를 사용할 경우 코어의 강성에 의해 지배되는 전단좌굴이 먼저 발생하고, 이후 50~200% 정도의 추가적인 하중을 지지하다가, 면재가 찢어지는 최종파손이 발생하였다. 반면에 PMI 폼을 사용하면 하중 초기에 코어의 전단파손이 발생하며 지지하중도 크게 저하되는 것을 확인하였다. 파손모드를 고려한 설계의 관점에서 볼 때, 노멕스 코어를 사용할 경우 코어의 강성과 면재의 강성 및 강도를 동시에 고려해야 하는 반면, 폼 코어를 사용할 경우 코어의 전단파손 하중을 높이는 것이 가장 중요한 것으로 나타났다.
풀아웃 하중을 받는 복합재 샌드위치 체결부의 파손 거동을 시험으로 연구하였다. 체결의 방식과 코어의 종류를 달리하여 5종류, 총 30개의 시편에 대해 시험을 수행하였다. 시험 결과, 노멕스 하니콤 코어를 사용할 경우 코어의 강성에 의해 지배되는 전단좌굴이 먼저 발생하고, 이후 50~200% 정도의 추가적인 하중을 지지하다가, 면재가 찢어지는 최종파손이 발생하였다. 반면에 PMI 폼을 사용하면 하중 초기에 코어의 전단파손이 발생하며 지지하중도 크게 저하되는 것을 확인하였다. 파손모드를 고려한 설계의 관점에서 볼 때, 노멕스 코어를 사용할 경우 코어의 강성과 면재의 강성 및 강도를 동시에 고려해야 하는 반면, 폼 코어를 사용할 경우 코어의 전단파손 하중을 높이는 것이 가장 중요한 것으로 나타났다.
The failure of composite sandwich joints was experimentally investigated. A total of 30 joint specimens of 5 different types were tested with various fastening methods and core materials. In the NomexTM core sandwich joints, the core shear buckling was commonly observed in all the specimens which wa...
The failure of composite sandwich joints was experimentally investigated. A total of 30 joint specimens of 5 different types were tested with various fastening methods and core materials. In the NomexTM core sandwich joints, the core shear buckling was commonly observed in all the specimens which was followed by the slope change of the load-displacement curve. After the shear buckling, however, the joints carried additional loads of 50~200% over the buckling loads and then finally failed in the upper face breakage. The joints of PMI foam core showed the shear failure of the core instead of shear buckling and experienced the sharp drop of the carried load. Considering the failure modes, while both the core and face properties are important in the $Nomex^{TM}$ core joints, core shear strength seems to be the critical factor for the foam core joints.
The failure of composite sandwich joints was experimentally investigated. A total of 30 joint specimens of 5 different types were tested with various fastening methods and core materials. In the NomexTM core sandwich joints, the core shear buckling was commonly observed in all the specimens which was followed by the slope change of the load-displacement curve. After the shear buckling, however, the joints carried additional loads of 50~200% over the buckling loads and then finally failed in the upper face breakage. The joints of PMI foam core showed the shear failure of the core instead of shear buckling and experienced the sharp drop of the carried load. Considering the failure modes, while both the core and face properties are important in the $Nomex^{TM}$ core joints, core shear strength seems to be the critical factor for the foam core joints.
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문제 정의
따라서 설계자들이 이용할 수 있는 수준의 데이터베이스를 확보하기 위해서는 여전히 지속적인 연구가 필요한 실정이다. 본 연구에서는 현재 국내에서 개발 중인 항공기의 설계에 적용되고 있는 샌드위치 체결부의 파손 특성에 관한 체계적 이해를 위한 시험을 수행하였다. 연구를 위해 형상과 재질이 다른 5가지 종류, 총 30개의 샌드위치 구조물 체결부에 풀아웃 하중을 가하여 파손거동 및 강도를 분석하였다.
제안 방법
변위 Irnrn 근처에서의 코어의 전단좌굴('T'지점)은 추가 시편으로 동일한 시험을 수행하여 이 위치에서 하중을 제거하고 시편을 절단하여 단면을 검사하는 방법으로 확인하였다. 두 번째 구간("2”구간)의 파손은 “「'지점에서의 파단면과 최종파손 (“4”지점)단면과의 비교로 확인할 수 있다.
본 연구에서는 형상과 재질이 다른 총 5가지 종류의 샌드위치 체결부에 대한 풀아웃 시험을 수행하여 각각이 갖는 파손 특성과 하중지지능력을 분석하였다.
본 연구에서는 현재 국내에서 개발 중인 항공기의 설계에 적용되고 있는 샌드위치 체결부의 파손 특성에 관한 체계적 이해를 위한 시험을 수행하였다. 연구를 위해 형상과 재질이 다른 5가지 종류, 총 30개의 샌드위치 구조물 체결부에 풀아웃 하중을 가하여 파손거동 및 강도를 분석하였다. 파손모드 관찰을 위해 시험 후 모든 시편에 대한절단면 검사를 실시하였다.
연구를 위해 형상과 재질이 다른 5가지 종류, 총 30개의 샌드위치 구조물 체결부에 풀아웃 하중을 가하여 파손거동 및 강도를 분석하였다. 파손모드 관찰을 위해 시험 후 모든 시편에 대한절단면 검사를 실시하였다.
대상 데이터
시편에 사용된 면재는 CYTEC사의 탄소/에폭시 평직(fabric) 인 G3-500-3k-PW/5276-l이며 성형 후 단층(ply)의 공칭 두께는 0.2 mm이다. 코어로는 Hexcel사의 노멕스 하니콤 코어와 Degussa사의 로하셀(Rohace) PMI 폼 코어를 사용하였고, 면재와 코어 사이의 접착제는 3M사의 AF 191k.
시편은 형상 혹은 재질이 다른 5종이며 각 종류별로 6개씩, 총 30개이며, 풀아웃 하중을 가하여 시험을 수행하였다. 시편의 크기는 12020(가로X세로, 단위: mm)이며 시편의 전형적인 형상과 상세한 정보는 각각 Fig.
수행하였다. 시편의 크기는 12020(가로X세로, 단위: mm)이며 시편의 전형적인 형상과 상세한 정보는 각각 Fig. 1와 Table 1에 나타내었다.
시편은 직경 80 mm의 홀이 있는 치구 상판에 의해 지지되고, 하중은 홀 중앙의 체결재에 가해진다. 시험에 사용한 재료시험기는 Instron 5582이며 분당 1.27 mtn의 속도로 하중을 가하였다.
O8을사용하였다. 체결부를 위한 포팅 재료로는 Magnobond 6398(Magnolia Plastics)과 EC-3500 B/A(3M), Epocast 1618 를 각각 사용하였다. 시편에 사용된 인서트 및 체결부에 대한 계략적인 그림은 Fig.
2 mm이다. 코어로는 Hexcel사의 노멕스 하니콤 코어와 Degussa사의 로하셀(Rohace) PMI 폼 코어를 사용하였고, 면재와 코어 사이의 접착제는 3M사의 AF 191k.O8을사용하였다.
성능/효과
이 경우 비록 최대하중이 4 kN까지 올라가더라도 P03의 경우와 마찬가지로, 이것은 볼트 머리와 너트에 의한 강제구속으로 인한 효과로 볼 수 있다. 따라서 안전한 설계를 위해서는 코어의 전단파손이 발생하는 첫 번째 피크에서의 하중을 설계 허용하중으로 설정하는 것이 바람직할 것으로 판단된다. 전반적으로 폼 코어를 사용할 경우 풀아웃 하중이 가해지는 초기에 포팅재와 코어 사이의 전단하중으로 인해 쉽게 코어의 전단파손이 발생하는 것으로 나타났다.
여섯 번째 시편을 제외하고는 최종파손단계에서의 하중이 첫 번째 피크에서의 하중 즉 코어의 전단파손하중보다 9% 가량 높게 나타났다. 비록 형상이 정확히 같지는 않지만, 노멕스 코어를 사용한 체결부의 경우 코어의 전단 좌굴 이후에도 약 50~200%까지 추가적인 하중을 지지한 반면, 폼 코어의 경우 코어의 최초파손 이후 추가적인 하중 지지능력은 10% 미만으로 나타났다. 게다가 첫 번째 전단 파손이 두께 방향으로 관통하는 형태로 발생한다.
세 번째 피크(지점 “4”) 이전에는 추가적인 하중이 가해질 경우 윗면재와 코어에 의해 얼마간의 하중이 지지되지만 곧 윗면 재가 찢어지면서 들려올라가는 파손에 의해 체결부는 구조적 기능을 완전히 상실하게 된다.
5에 나타내었다. 여섯 번째 시편을 제외하고는 최종파손단계에서의 하중이 첫 번째 피크에서의 하중 즉 코어의 전단파손하중보다 9% 가량 높게 나타났다. 비록 형상이 정확히 같지는 않지만, 노멕스 코어를 사용한 체결부의 경우 코어의 전단 좌굴 이후에도 약 50~200%까지 추가적인 하중을 지지한 반면, 폼 코어의 경우 코어의 최초파손 이후 추가적인 하중 지지능력은 10% 미만으로 나타났다.
인서트사용 여부와 형상에 따라 값이 달라지겠지만, 본 시험에서는 초기 전단좌굴 후에도 약 50-200% 가량 추가적인 하중을 지지할 수 있는 것으로 나타났다. 코어의 전단좌굴은 코어의 강성과 관계되므로 설계 시 이에 대한 세심한 고려가 필요하다.
평균 전단좌굴하중은 구조물이 지지할 수 있는 최대하중의 65% 수준임을 알 수 있다. 전단좌굴 후 하중을 제거하여 단면을 관찰하면 구조물에 전단좌굴로 인한 영구적 변형이 부분적으로 발생한 것을 확인할 수 있다. 따라서 보수적 설계를 위해서는 전단좌굴하중을 설계허용치로 설정하는 것이 타당한 것으로 판단된다.
3에 나타내었다. 전단좌굴하중은 구조물이 지지할 수 있는 최대하중 대비 44% 수준의 값을 보였다. 앞의 P01 과 비교할 때 상대적으로 더 낮은 하중에서 전단좌굴이 발생하였으며 구조물의 안전을 위해서는 전단좌굴하중 즉 'T'지점의 하중을 설계허용하중으로 사용해야 한다.
따라서 안전한 설계를 위해서는 코어의 전단파손이 발생하는 첫 번째 피크에서의 하중을 설계 허용하중으로 설정하는 것이 바람직할 것으로 판단된다. 전반적으로 폼 코어를 사용할 경우 풀아웃 하중이 가해지는 초기에 포팅재와 코어 사이의 전단하중으로 인해 쉽게 코어의 전단파손이 발생하는 것으로 나타났다. 비록 기계적 체결에 의해 파손 이후에도 상당부분 하중을 지지할 수 있다.
또한 동시에 그림에서 보인 바와 같이 면재와 포팅재의 분리 및 코어의 대규모 파손이 발생하였다. 전체적으로 인서트를 사용한 체결부에 비해 최종파손이 급격하게 발생하며, 최종파손 후 구조물의 하중 지지능력은 완전히 상실되는 것을 알 수 있다.
코어의 관점에서 살펴보면, 노멕스 코어를 사용한 시편의 경우 코어의 전단좌굴이 가장 먼저 발생하지만, 이로 인한 지지 하중의 감소는 없거나 미미하고, 최종파손은 포팅 재가 윗면 재를 풇고 나올 때 발생하는 것으로 나타났다. 인서트사용 여부와 형상에 따라 값이 달라지겠지만, 본 시험에서는 초기 전단좌굴 후에도 약 50-200% 가량 추가적인 하중을 지지할 수 있는 것으로 나타났다.
후속연구
설계허용하중으로 사용해야 한다. 그러나 이 경우에도 P01 과 P02에서와 마찬가지로, 중량 측면에서 보수적인 설계가 될 수 있으므로 앞서 언급된 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
앞의 P01 과 비교할 때 상대적으로 더 낮은 하중에서 전단좌굴이 발생하였으며 구조물의 안전을 위해서는 전단좌굴하중 즉 'T'지점의 하중을 설계허용하중으로 사용해야 한다. 그러나 이 경우에도 P01 에서와 마찬가지로, 중량 측면에서 지나치게 보수적인 설계가 될 수 있으므로 추가시험을 통해 전단좌굴이 구조물의 잔류강도에 미치는 효과에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
하지만, 이 경우 체결부 중량증가의 원인이 될 수도 있다. 따라서 추가적인 시험을 통해 전단 좌굴이 재하중(reloM)시 지지하증에 미치는 영향 즉 잔류강도와의 관계를 살펴본 후 그 정도에 따라 설계 허용하중을 결정하는 것이 바람직할 것으로 판단된다. 시편의 단면사진을 보면 포팅재에서 일부 기공이 발견되는 것을 볼 수 있는데 이는 제작과정에서 생긴 결함이지만, 시험 후 단면확인 결과 이러한 결함이 국부적 손상의 원인이 된 경우는 발견되지 않았다.
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