[논문]주파수 선택적 투과막이 결합된 복합재료의 잔류응력평가 및 선택적 투과막 설계

김가연; 전흥재; 강경탁; 이경원; 홍익표; 이명건

doi:10.7234/kscm.2011.24.1.037

주파수 선택적 투과막이 결합된 복합재료의 잔류응력평가 및 선택적 투과막 설계
Thermal Residual Stresses in the Frequency Selective Surface Embedded Composite Structures and Design of Frequency Selective Surface 원문보기

복합재료 : 한국복합재료학회지 = Journal of the Korean Society for Composite Materials, v.24 no.1, 2011년, pp.37 - 44

김가연 (연세대학교 기계공학과 대학원) , 전흥재 (연세대학교 기계공학과 대학원) , 강경탁 (연세대학교 기계공학과 대학원) , 이경원 (연세대학교 전기전자공학과) , 홍익표 (국립공주대학교 정보통신공학부) , 이명건 (국방과학연구소)

초록
AI-Helper

본 연구에서는 최적화 알고리즘 중 하나인 PSO기법을 이용하여 주파수 선택적 표면을 설계하였으며, 설계된 주파수 선택구조를 적용한 하이브리드 레이돔의 잔류응력을 예측하였다. 주파수 선택 구조로서 Square Loop의 등가회로모델에 PSO를 적용하여, K-band(23GHz)에서 차단특성을 갖는 최적의 설계값을 구하였다. 또한 FSS와 복합재료의 하이브리드 레이돔을 제작할 때 발생하는 잔류응력의 효과가 클 경우 구조적 안정성이 떨어질 뿐만 아니라 층간분리가 발생하여 FSS의 전파투과특성에 영향을 미칠 수 있으므로, 하이브리드 레이돔의 제작 시에 동시경화 후 상온으로 냉각되는 과정에서 발생하는 잔류 열응력에 대하여 예측하였으며, FSS패턴과 복합재료의 적층각 변화에 따른 영향을 비교하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, Particle Swarm Optimization(PSO) is applied to the design of the Frequency Selective Surface(FSS) and residual stresses of hybrid radome is predicted. An equivalent circuit model with Square Loops arrays was derived and then PSO was applied for acquiring the optimized geometrical parameters with proper resonant frequency. Residual stresses occur in the FSS embedded composite structures after cocuring and have a great influence on the strength of the FSS embedded composite structures. They also effect transmission quality because of delamination. Therefore, the thermal residual stresses of FSS embedded composite structures were analyzed using finite element analysis with considering the effects of FSS pattern, and composite stacking sequence.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

빠르다는 장점을 갖는다. 본 논문에서는 앞에서 언급한 바와 같이 Square Loop FSS들의 구조에 대한 등가 회로 모델로부터 설계 파라미터를 최적화 하였다. 이를 위하여 식 (15)와 같은 목적함수를 정의하였다.

가설 설정

Copper 의 빈 부분은 Epoxy in이 채워져 있는 것으로 가정하였으며, Pyimide fHm에 접합한 후, 복합재료 유전체를 윗부분과 아래에 접합시켜 최종 모델인 하이브리드례이돔을 모델링 하였다. FSS를 감싸는 유전체의 두께는 L24mm로 위와 아래 값이 동일하였으며, Copper fbil의 두께는 20㎛, Polyimide fn의 두께는 40㎛로 가정하였다.
E-glass/epoxy복합재료의 층간분리 파손을 예측하기 위하여 Delamination Failure Index (DFI)값을 아래의 식과 같이 정의하여 DFI값이 1을 넘으면 층간분리가 발생하였다고 가정하였다.
모델링 하였다. FSS를 감싸는 유전체의 두께는 L24mm로 위와 아래 값이 동일하였으며, Copper fbil의 두께는 20㎛, Polyimide fn의 두께는 40㎛로 가정하였다.
그림과 같이 FSS에서 각 단위요소간의 상호작용을 살펴보기 위하여 Unit cell 을 사용했다는 점을 고려하여 각 축 방향에 따라 대칭 조건을 사용하였고, 자유로운 팽창 및 수축이 가능하도록 복합재료 유전체 하단의 Z축만을 고정 시켰다. 열응력은 경화가 된 이후 상온으로 냉각되는 과정을 가정하기 위하여 경화온도인 115℃에서 상온(25 ℃)으로 온도의 변화를 설정하였다.

제안 방법

PSO를 이용하여 K, band(23GH에서 차단 특성을 갖는 각각의 FSS구조의 파라미터를 추출하였으며, PSO의 수렴하는 과정은 Fig. 3과 같다. 파란 선은 글로벌 베스트를 나타내며, 이는 최적화된 값을 뜻한다.
Square Loop FSS들의 등가회로에 PSC를 이용하여 K-band (23 GHz에서 차단특성을 가지는 FSS들을 설계하여 최적화된 각 FSS들의 파라미터들을 구하였으며, 그 결과는 Table 3과 같다.
4의 점선부분을 Unit cellsl 정하였다. 각 Unit celle Copper foil의 형상을 나타내며, Unit cell의 치수는 앞에서 구한 최적화된 치수를 적용하였다.
Element, Ring등이 있다. 그 중에서 대칭적인 형상으로 인하여 전자기파의 입사각 변화에 대해 안정된 공잔주파수를 걎는 Square Loop(SL)을 기본 패턴으로 설정하였다. Fig.
1 GHz로 하였다. 그리고 각 설계파라미터 탐색 범위는 3 mm < < 10 mm, 3 mm < d 1 mm, 0.1 w or g < 2 nun로 설정하였다.
5와 같다. 그림과 같이 FSS에서 각 단위요소간의 상호작용을 살펴보기 위하여 Unit cell 을 사용했다는 점을 고려하여 각 축 방향에 따라 대칭 조건을 사용하였고, 자유로운 팽창 및 수축이 가능하도록 복합재료 유전체 하단의 Z축만을 고정 시켰다. 열응력은 경화가 된 이후 상온으로 냉각되는 과정을 가정하기 위하여 경화온도인 115℃에서 상온(25 ℃)으로 온도의 변화를 설정하였다.
동일한 Pitch를 가질 때 패턴의 변화가 잔류응력에 미치는 영향을 비교하기 위하여, 기본적인 FSS 모델인 SL의 Pitch 치수를 기준으로 하여 GSL과 DSL를 동일하게 수정하였으며, GSL과 DSL의 균일화 후의 치수는 Table 7과 같다.
알고리즘 중 하나인 PSO기법을 이용하였다. 또한 유한요소해석을 이용하여 최적화된 치수의 FSS들의 잔류응력과 층간 분리 발생 가능성에 대하여 확인하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 Abaqus 6, 9을 이용하여 유한요소 모델을 생성하였다. 하이브리드 레이돔의 각 요소는 C₃D8T Element 를 23364개 적용하였으며, FSS를 감싸는 복합재료 유전체는 8층의 E-glass/epoxy로 구성하였다.
하이브리드 레이돔의 각 요소는 C₃D8T Element 를 23364개 적용하였으며, FSS를 감싸는 복합재료 유전체는 8층의 E-glass/epoxy로 구성하였다. 적층각에 따른 영향을 확인하기 위하여 [04]s, [(0/45)2]s, [±32s, [±45와 같은 다양한 적층각을 가진 복합재료 유전체를 생성하였다. 유한요소해석에 사용된 Copper fbil과 Polyimide film의 물성은 Table 1와 같으며, E-glass/epoxy 복합재료의 물성은 Table 2예 나타내었다.
추출하였다. 추출한 파라미터를 적용한 FSS와 유전체로는 E-glass/epoxy를 적용하여 설계된 하이브리드 레이돔의 제작 시에 동시경화 후 상온으료 냉각되는 과정에서 발생하는 잔류 열응력과 층간분리 발생 가능성에 대하여 예측하였으며, FSS패턴과 복합재료의 적층각 변화에 따른 영향을 비교하였다.

대상 데이터

하이브리드 레이돔의 각 요소는 C₃D8T Element 를 23364개 적용하였으며, FSS를 감싸는 복합재료 유전체는 8층의 E-glass/epoxy로 구성하였다. 적층각에 따른 영향을 확인하기 위하여 [04]s, [(0/45)2]s, [±32s, [±45와 같은 다양한 적층각을 가진 복합재료 유전체를 생성하였다.

이론/모형

본 연구에서는 Square Loop FSS(Square Loop, Gridded Square Loop, Double Square Loop)들의 등가회로 모델을 Particle Swarm Opimization(PSO)알고리즘에 적용하여 K-band (23GHz)에서 차단특성을 갖는 최적화돤 Square Loop FSS들의 파라미터들을 추출하였다. 추출한 파라미터를 적용한 FSS와 유전체로는 E-glass/epoxy를 적용하여 설계된 하이브리드 레이돔의 제작 시에 동시경화 후 상온으료 냉각되는 과정에서 발생하는 잔류 열응력과 층간분리 발생 가능성에 대하여 예측하였으며, FSS패턴과 복합재료의 적층각 변화에 따른 영향을 비교하였다.
본 연구에서는 Square Loop FSS들의 등가회로를 유도하여 원하는 공진주파수에 대한 설계 파라미터를 얻기 위하여 최적화 알고리즘 중 하나인 PSO기법을 이용하였다. 또한 유한요소해석을 이용하여 최적화된 치수의 FSS들의 잔류응력과 층간 분리 발생 가능성에 대하여 확인하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.

성능/효과

1) Square Loop FSS들에 PSO알고리즘을 적용함으로써 쉽고 빠르게 FSS를 설계할 수 있으며 다양한 성능의 FSS 를 설계할 수 있음을 알 수 있었. 이 결과로 PSO를 다양한 종류의 FSS에 적용될 수 있으며 안테나 레이돔 등과 같은 다양한 전자기 구조에 사용될 수 있다.
2) 진공주파수가 동일한 모델과 Pitch가 동일한 모델 모두 Composite의 DFI는 패턴의 영향보다는 적층의 의한 영향을 더 크게 받음을 확인하였고, [±3ORs 적층 모델에서 가장 높은 값을 보임을 확인하였다.
3) FSS는 모든 모델에서 적층의 변화보다 패턴의 영향을 더 크게 받았으며, DSL에서 높은 잔류응력이 발생하였으며, 국부적인 파손이 발생할 수 있음을 확인하였다.
4) DFI값이 1을 넘지 않아 층간분리현상은 발생하지 않았으나, 잔류응력의 효과가 크게 발생하였고, 따라서 Hybrid Radome 설계시 잔류응력의 영향을 감소시키기 위하여 적절한 FSS패턴과 복합재료 적층을 선정하여야 한다.
12과 같다. 동 FSS의 등가 응력 결과는 모든 적층에서 동 FSS의 강도에 근접하는 값을 보여 국부적인 파손이 발생할 기능성이 있음을 알 수 있으며, 등가응력 값이 SL보다 GSL과 DSL의 패턴 모델에서 높은 잔류응력을 갖는 경향을 나타냈으며, 복합재료 적층의 영향보다는 패턴의 변화에 따른 영향을 받았다. 또한 E-glass/ epoxy복합재의 DFI는 FSS의 패턴에 따른 영향보다는 적층에 따라 영향을 더 크게 받으며, [±30]2s 적층 모델에서 가장 높은 값을 보여 일방향 또는 일방향과 혼합된 복합재료의 적층보다는 앵글플라이를 갖는 적층에서 층간분리의 가능성이 높다는 것을 확인할 수 있었다.
Table 5와 같다. 동 FSS의 잔류응력은 강도 값보다 높은 값을 보여 동 FSS에서 국부적인 파손이 발생할 가능성이 있음을 알 수 있었으며, 층간분리의 발생 유무를 확인할 수 있는 DFI값은 1을 넘지 않았으나 높은 값을 보여 잔류응력의 효과가 크며 복합재료의 강도에 영향을 미칠 수 있음을 확인할 수 있었다. 동 FSS에서 가장 높은 잔류 응력을 보인 [04]s 적층인 경우의 응력분포는 Fig.
DFI 값은 Table 4와 같다. 동 FSS의 잔류응력은 해석에서 고려된 모든 복합재료의 적층각에 대하여 강도에 가까운 높은 값을 보였으며, 이는 국부적 파손이 발생할 가능성이 있음을 알 수 있었고, 가장 높은 값을 보인 [±45]2S 적층인 경우의 응력분포는 Fig. 6과 같다. 또한 E-glass/epoxy복합재의 DFI값은 [±3이2S모델에서 최대값 0.
동 FSS의 등가 응력 결과는 모든 적층에서 동 FSS의 강도에 근접하는 값을 보여 국부적인 파손이 발생할 기능성이 있음을 알 수 있으며, 등가응력 값이 SL보다 GSL과 DSL의 패턴 모델에서 높은 잔류응력을 갖는 경향을 나타냈으며, 복합재료 적층의 영향보다는 패턴의 변화에 따른 영향을 받았다. 또한 E-glass/ epoxy복합재의 DFI는 FSS의 패턴에 따른 영향보다는 적층에 따라 영향을 더 크게 받으며, [±30]2s 적층 모델에서 가장 높은 값을 보여 일방향 또는 일방향과 혼합된 복합재료의 적층보다는 앵글플라이를 갖는 적층에서 층간분리의 가능성이 높다는 것을 확인할 수 있었다.
6에서 정리하였다. 표를 통하여 동 FSS는 앞에서 살펴본 SL과 GSL의 패턴을 갖는 모델과 같이동 FSS의 강도보다 큰 잔류 옹력이 발생하여 국부적인 파손이 발생할 가능성이 있음을 알 수 있었으며, 동 FSS에서 최대 등가 응력을 갖는 동 FSS의 응력분포는 Fig. 과 같으며, 이때의 복합재료는 [(씨로 적층되었다. 또한 E-glass/epoxy의 최대 DFI값역시, 앞에서 살펴본 SL, GSL과 같이 [±32S적층 모델에서 나타났으며, 면외 응력(033, 분포는 Fig.
5755 으로 1에는 도달하지 않았으나 다소 큰 값을 보였으므로, 잔류응력에 의하여 구조물의 강도 및. 피로특성에 영향을 줄 수 있다는 겻을 확인할 수 있었다.
7 과 같다. 해석에 고려돤 복합재의 적층과 FSS의 형태에 대하여 E-glass/epoxy 복합재의 DFI값이 1에 도달하지 않아 층간 분리가 발생할 가능성은 낮으나 상당히 높은 DFI값을 보임으로서 하이브리드 복합재의 강도의 저하나 피로하중에 취약할 가능성이 예상된다.

후속연구

설계할 수 있음을 알 수 있었. 이 결과로 PSO를 다양한 종류의 FSS에 적용될 수 있으며 안테나 레이돔 등과 같은 다양한 전자기 구조에 사용될 수 있다.

참고문헌 (17)

Mittra, R., Chan, C.H. and Cwik T., "Techniques for analyzing frequency selective surfaces-A review," Proceedings of the IEEE, Vol. 76, No. 12, 1988, pp. 1593-1615.

상세보기
Grounds, P.W. and Webb, K.J., "Numerical analysis of finite frequency selective surface with rectangular patches of various aspect ratios," IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 39, 1991, pp. 569-575.

상세보기
Wu, T.K., Frequency selective surface and grid array, Wiley, New York. 1995.
Kim, P.C., Chin, W.S., Lee, D.G. and Seo, I.S., "EM Characteristics of the RAS Composed of E-Glass/Epoxy Composite and Single Dipole FSS Element," Journal of Composite Materials, Vol. 75, 2006, pp. 601-609.
Kim, P.C. and Lee, D.G., "Improvement of Bonding Characteristics Between the Frequency Selective Surface and E-glass/epoxy Composite," Journal of Adhesion Science and Technology, Vol. 23, 2009, pp. 215-227.

상세보기
Marcuvitz, N., Waveguide Handbook, McGraw-Hill, New York, 1951.
Anderson I., "On the Theory of Self-Resonant Grids," Bell system Technical Journal, Vol. 54, 1975, p. 1725-1731.

상세보기
Langley, R. J., Drinkwater, A. J., "An Improved Empirical Model for the Jerusalem Cross," IEE Proceedings H-Microwaves Optics and Antennas, Vol. 129, No. 1, 1982, pp. 1-6.

상세보기
Langley, R. J., Parker, E. A., "Equivalent Circuit Model for Arrays of Square Loops," Electronics Letters, Vol. 18, No. 7, 1982, pp. 294-296.

상세보기
Langley, R. J., Parker, E. A., "Double Square Frequency Selective Surfaces and Their Equivalent Circuit.," Electronics Letters, Vol. 19, No. 17, 1983, pp. 675-677.

상세보기
Lee, C. K., Langley, R. J., "Equivalent- Circuit Models for Frequency Selective Surfaces at Oblique Angles of Incidence," IEE Proceedings H-Microwaves Optics and Antennas, Vol. 132, 1985, pp. 395-399.

상세보기
Parker, E. A., "The Gentleman's Guide to Frequency Selective Surfaces," Presented in 17th Q.M.W. Antenna Symposium, London (UK), 1991.
서일성, 김진규, 최일, 이대길, "Hybrid 구조의 FSS 접합 특성 영향," 한국군사과학기술학회 2010년 종합학술대회학회지, 2010, pp. 581-584.
Munk, B.A., (2000), Frequency Selective Surfaces: Theory and Design, John Wiley & Sons, Inc., New York, 2000.
Lee, C.K. and Langley, R.J., "Equivalent-Circuit Models for Frequency Selective Surfaces at Oblique Angles of Incidence," IEE Proceedings H Microwaves, Vol. 132, 1985, pp. 395-399.

상세보기
Parker, E.A., "The Gentleman's Guide to Frequency Selective Surfaces," 17th QMW Antenna Symposium, London(UK), 1991.
김가연, 전흥재, 홍익표, 강경탁, 이명건, "주파수 선택적 투과막이 결합된 복합재료의 잔류응력평가," 국방과학연구소 창설 40주년기념 종합 학술대회 학회지, 2010.

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