[논문]전단하중을 받는 알루미늄 하니콤 샌드위치의 체결방식이 체결부의 파손에 미치는 영향 연구

박용빈; 권진회; 최진호; 조현일

doi:10.5139/jksas.2011.39.7.643

전단하중을 받는 알루미늄 하니콤 샌드위치의 체결방식이 체결부의 파손에 미치는 영향 연구
Effect of joining methods on the failure of aluminum honeycomb sandwich joints under shear loading 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.39 no.7, 2011년, pp.643 - 651

박용빈 (경상대학교 대학원 항공우주공학과) , 권진회 (경상대학교 항공우주시스템공학과, 항공기부품기술연구소) , 최진호 (경상대학교 기계공학부, 항공기부품기술연구소) , 조현일 (한국항공우주산업(주))

초록
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본 논문에서는 전단하중을 받는 다양한 알루미늄 샌드위치 체결부의 파손 특성에 대한 시험 연구를 수행하였다. 3종류의 인서트 형식 체결부와 2종류의 포팅 형식 체결부에 대해 총 60개의 시편을 제작하여 시험을 수행하였다. 시험 결과, 인서트 형식 체결부의 경우 쓰루 클리어런스(through-clearance) 인서트를 사용한 경우의 파손하중이 가장 높게 나타났으며 포팅 형식 체결부의 경우 딤플 와셔(dimple washer)가 있을 때 전단하중이 약10% 향상되는 것을 확인할 수 있었다. 예상대로 면재의 두께가 증가할수록 전단파손하중도 증가하고, 특히 하중치구와 접촉하고 있는 상부 면재의 효과가 지배적인 것을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

An experimental study on the failure of aluminum sandwich joints under shear loading was conducted. A total of 60 specimens including three different insert types and two different potting types were fabricated and tested. The test results showed that the through-clearance type of joint fails at the highest load among insert type joints. The failure load of the potted joints with the dimple washer increased by 10% compared to the simple potted joints. As expected, the shear failure load became higher in accordance with the face thickness increase. It was also found that the upper face in contact with the loading tool is more dominant over the failure load.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 시험에서와 같이 전단하중을 받는 인서트 체결부의 파손하중을 지배적으로 결정하는 인자는 면재의 두께와 강도로 볼 수 있다[12, 13]. 따라서 본 연구에서는 면재의 두께에 대한 파손하중의 효과가 체결부 형태에 따라 어떻게 달라지는지 확인하기 위한 시험을 수행하였다. Fig.
본 연구에서는 국내에서 개발 중인 항공기의 샌드위치 구조 설계허용치를 획득하기 위해, 실제 설계에 사용된 다양한 체결부를 제작하여 시험을 수행하였다. 인서트의 형식과 포팅 형식, 면재의 두께를 달리한 샌드위치 체결부 시편을 제작하고 이러한 변수가 체결부의 파손형상 및 파손하중에 미치는 영향을 시험으로 연구하였다.
본 연구에서는 항공기용 알루미늄 면재와 하니콤 코어를 사용하여 샌드위치 체결부 전단 시험을 위한 시편을 제작하였다. 5종류의 체결방법 각각에 대해, 면재의 두께를 달리하여 총 60개의 시편을 제작하여 시험을 수행하였다.
본 연구에서는 국내에서 개발 중인 항공기의 샌드위치 구조 설계허용치를 획득하기 위해, 실제 설계에 사용된 다양한 체결부를 제작하여 시험을 수행하였다. 인서트의 형식과 포팅 형식, 면재의 두께를 달리한 샌드위치 체결부 시편을 제작하고 이러한 변수가 체결부의 파손형상 및 파손하중에 미치는 영향을 시험으로 연구하였다.

가설 설정

또한 전단하중이 작용하는 면재의 강도는 체결재의 지름에 따른 베어링 강도를 사용하고, 반대편의 면재는 높이에 따라 0~50%까지 차등을 두어 베어링 강도를 계산한다. 가령, 코어의 높이가 6.35 mm일 때는 50%의 강도를, 9.35 mm는 25%의 강도를, 그 이상은 0%로 가정한다. 따라서 설계허용치 계산법은 면재의 두께와 체결재의 지름, 코어의 높이에 의해서 식 (1)과 같이 결정된다.
근사적 방법은 다음의 가정 하에서 근사적으로 파손하중을 평가하는 방법이다. 우선면재만이 전단하중을 지지하며 코어의 효과는 무시할 수 있다고 가정한다. 또한 전단하중이 작용하는 면재의 강도는 체결재의 지름에 따른 베어링 강도를 사용하고, 반대편의 면재는 높이에 따라 0~50%까지 차등을 두어 베어링 강도를 계산한다.

제안 방법

하지만 본 연구는 현재 국내에서 개발하고 있는 항공기의 설계에 사용된 형상 및 재료를 사용한 체결부에 대한 검증을 주목적으로 하고 있으므로, 체결 방식에 대한 영향을 집중적으로 분석하였다. 따라서 알루미늄 면재와 코어로 제작된 항공기용 하니콤 샌드위치 구조에 대해 다양한 인서트 및 포팅 체결 방법을 적용하고, 전단시험을 수행하여 강도 특성 및 체결부의 파손 양상을 규명하였다. 또한 현장에서 사용되는 간단한 수치적 방법을 사용한 설계허용치와 시험 결과를 비교, 분석한다.
시험을 위한 모든 시편은 한국항공에서 제작하였으며 시편 제작 후 회사 내부규정에 따른 불량 검사를 실시하였다. 또한 시험 수행 전 육안 검사를 수행하였고, 포팅 상태를 확인하기 위해 일부 시편의 단면을 잘라 검사하였다.
우선면재만이 전단하중을 지지하며 코어의 효과는 무시할 수 있다고 가정한다. 또한 전단하중이 작용하는 면재의 강도는 체결재의 지름에 따른 베어링 강도를 사용하고, 반대편의 면재는 높이에 따라 0~50%까지 차등을 두어 베어링 강도를 계산한다. 가령, 코어의 높이가 6.
Bunyawanichakul 등[10]은 샌드위치 인서트 체결부에 풀아웃 하중을 가하여 파손 현상을 분석하였다. 또한 코어의 전단좌굴에 의한 비선형성을 확인하기 위해 3점 굽힘시험을 수행하고 시험 결과를 바탕으로 한 유한요소모델링 기법을 제시하였다. Kim 등[11]은 인서트의 형상에 따른 하중전달 특성을 연구하고 정·동적 풀아웃 시험을 수행하여 파손 현상을 규명하였다.
따라서 알루미늄 면재와 코어로 제작된 항공기용 하니콤 샌드위치 구조에 대해 다양한 인서트 및 포팅 체결 방법을 적용하고, 전단시험을 수행하여 강도 특성 및 체결부의 파손 양상을 규명하였다. 또한 현장에서 사용되는 간단한 수치적 방법을 사용한 설계허용치와 시험 결과를 비교, 분석한다.
샌드위치 체결부 전단강도시험을 위한 표준규격은 만들어져있지 않으므로, 본 시험에서는 한국항공과의 협의와 문헌[12,13,15]들을 참고하여 Fig. 3에 보인 바와 같이 시험치구를 제작하였다. 시편의 고정을 위해 시편 좌우 및 상단에 가이드 블록을 설치하고, 강판으로 체결재에 전단하중을 가하였다.
3에 보인 바와 같이 시험치구를 제작하였다. 시편의 고정을 위해 시편 좌우 및 상단에 가이드 블록을 설치하고, 강판으로 체결재에 전단하중을 가하였다. 시험에 사용한 재료시험기는 Instron 5582이고 분당 1.
면재와 코어 사이의 접착제는 3M사의 필름 접착제 AF-163-2K를 사용하였다. 총 5종류의 체결방법이 적용되었고, 크게 인서트와 포팅 체결로 구분하였다. 사용된 인서트는 블라인드(blind) 형식의 NAS 1832C3-3과 NAS 1836C3-15P, 쓰루 클리어런스(through-clearance) 형식의 NAS 1834A3-524(532)이며 체결 방법을 Fig.
샌드위치 체결부 강도에 영향을 미치는 변수는, 구성 재료, 코어의 밀도와 높이, 인서트의 유격 등으로 매우 다양하다[12,13]. 하지만 본 연구는 현재 국내에서 개발하고 있는 항공기의 설계에 사용된 형상 및 재료를 사용한 체결부에 대한 검증을 주목적으로 하고 있으므로, 체결 방식에 대한 영향을 집중적으로 분석하였다. 따라서 알루미늄 면재와 코어로 제작된 항공기용 하니콤 샌드위치 구조에 대해 다양한 인서트 및 포팅 체결 방법을 적용하고, 전단시험을 수행하여 강도 특성 및 체결부의 파손 양상을 규명하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 항공기용 알루미늄 면재와 하니콤 코어를 사용하여 샌드위치 체결부 전단 시험을 위한 시편을 제작하였다. 5종류의 체결방법 각각에 대해, 면재의 두께를 달리하여 총 60개의 시편을 제작하여 시험을 수행하였다. 시편의 크기는 120×120 (가로×세로, 단위: mm)이며 시편의 형상과 상세한 정보는 Fig.
7 mm이고 면재와 코어의 물성치는 Table 2에 제시하였다. 면재와 코어 사이의 접착제는 3M사의 필름 접착제 AF-163-2K를 사용하였다. 총 5종류의 체결방법이 적용되었고, 크게 인서트와 포팅 체결로 구분하였다.
총 5종류의 체결방법이 적용되었고, 크게 인서트와 포팅 체결로 구분하였다. 사용된 인서트는 블라인드(blind) 형식의 NAS 1832C3-3과 NAS 1836C3-15P, 쓰루 클리어런스(through-clearance) 형식의 NAS 1834A3-524(532)이며 체결 방법을 Fig. 2에 나타내었다. 체결에 사용한 볼트는 4.
406 mm이다. 시편 BI7의 경우 상부 면재는 0.406 mm, 하부 면재는 0.305 mm으로 제작되었다. 시험 결과, 각각의 파손하중은 6.
시편에 사용된 면재는 Al2024-T3이고 코어는 AMS 4348을 사용하였다. 코어의 높이는 12.
시편의 크기는 120×120 (가로×세로, 단위: mm)이며 시편의 형상과 상세한 정보는 Fig. 1과 Table 1에 제시하였다.
시편의 고정을 위해 시편 좌우 및 상단에 가이드 블록을 설치하고, 강판으로 체결재에 전단하중을 가하였다. 시험에 사용한 재료시험기는 Instron 5582이고 분당 1.27 mm의 속도로 하중을 가하였다.
시험을 위한 모든 시편은 한국항공에서 제작하였으며 시편 제작 후 회사 내부규정에 따른 불량 검사를 실시하였다. 또한 시험 수행 전 육안 검사를 수행하였고, 포팅 상태를 확인하기 위해 일부 시편의 단면을 잘라 검사하였다.
Magnobond 6398은 강력한 충진제로 일반적으로 인서트 포팅 재료에 사용되며 Magnobond 92-1A/B의 경우 Magnobond 6398과 같은 강력한 접착력은 없지만 가벼우면서 보통의 압축강도를 가지고 있다. 제작사에서 제공한 Magnobond 6398의 물성치는 접착전강강도(lap shear strength, ASTM D1002) 32.4 MPa, 인장강도(ASTM D-638) 41.4 MPa, 인장 연신율 3.1%, 압축강성 2068 MPa, 압축강도 69.0 MPa이며, Magnobond 92-1A/B의 물성치는 압축강성 1999 MP, 압축강도 35.9 MPa, 전단강도 13.1 MPa이다.
76 mm의 지름을 가지는 NAS1143 시리즈이고, 딤플 와셔(dimple washer)가 사용된 BP3 시편에는 NAS1580을 사용하였다. 체결부의 포팅을 위한 재료는 Magnolia Plastics 사의 Magnobond 6398과 Magnobond 92-1A/B이다. Magnobond 6398은 강력한 충진제로 일반적으로 인서트 포팅 재료에 사용되며 Magnobond 92-1A/B의 경우 Magnobond 6398과 같은 강력한 접착력은 없지만 가벼우면서 보통의 압축강도를 가지고 있다.
2에 나타내었다. 체결에 사용한 볼트는 4.76 mm의 지름을 가지는 NAS1143 시리즈이고, 딤플 와셔(dimple washer)가 사용된 BP3 시편에는 NAS1580을 사용하였다. 체결부의 포팅을 위한 재료는 Magnolia Plastics 사의 Magnobond 6398과 Magnobond 92-1A/B이다.

성능/효과

406 mm로 제작하여 시험한 결과이다. 그래프를 살펴보면 면재의 두께가 0.305 mm에서 0.406 mm로 33% 증가할 경우 체결부의 종류에 따라 파손하중이 4%에서 최대 20%까지 증가하는 것을 확인할 수 있다. 파손모드에 관한 설명에서 언급했듯이 전단하중을 받는 샌드위치 시편의 경우 인서트플렌지와 면재의 접촉에 의해 하중이 지지되다가, 하중이 증가하면 인서트가 회전하게 되고, 어느 순간 인서트 플렌지와 면재가 어긋나게 된다.
인서트플렌지와 면재가 접촉하지 못하고 어긋나면, 이는 곧바로 체결부 전체의 하중지지능력 상실로 연결된다. 따라서 체결부의 종류 중 상대적으로 전단하중에 대해 회전이 많이 발생하는 인서트 NAS 1832C3-3(BI1)의 경우 4%의 증가를 보인 반면, 같은 블라인드 인서트라도 회전이 작은 인서트 NAS 1836C3-15P(BI5)의 경우 20%의 증가 효과를 보였다. NAS 1834A3-524(BI3)의 경우 10%, 딤플 워셔가 없는 포팅 형식(BP1)의 경우 13%의 파손하중 증가를 보였다.
샌드위치 체결부에서 면재의 두께는 중요한 변수이며 특히 인서트 형식의 경우 하중을 직접 받는 상부 면재가 더 큰 영향을 미치는 것을 확인하였다. 또한 현장에서 샌드위치 구조 설계 시 사용되기도 하는 근사적 설계허용치 산출 방법이 너무 보수적이라는 사실을 확인하고, 정교한 해석적 접근이나 실험에 의해 설계허용치를 획득할 필요가 있음을 보였다.
시험 결과, 전단하중이 상부 외피 쪽에서만 가해지므로, 정도의 차이는 있지만 모든 체결부에서 모멘트에 의한 회전과 이로 인한 상하 비대칭 파손이 발생하는 것을 확인하였다. 본 연구에서 적용된 2종류의 인서트 체결부 중에서는 두께방향으로 인서트가 관통한 형식인 쓰루 클리어런스 형식의 파손하중이 높았다. 인서트가 없는 포팅 형식의 경우 딤플 와셔의 보강효과로 인해 파손하중이 증가함을 확인하였다.
인서트가 없는 포팅 형식의 경우 딤플 와셔의 보강효과로 인해 파손하중이 증가함을 확인하였다. 샌드위치 체결부에서 면재의 두께는 중요한 변수이며 특히 인서트 형식의 경우 하중을 직접 받는 상부 면재가 더 큰 영향을 미치는 것을 확인하였다. 또한 현장에서 샌드위치 구조 설계 시 사용되기도 하는 근사적 설계허용치 산출 방법이 너무 보수적이라는 사실을 확인하고, 정교한 해석적 접근이나 실험에 의해 설계허용치를 획득할 필요가 있음을 보였다.
305 mm으로 제작되었다. 시험 결과, 각각의 파손하중은 6.21, 7.48, 7.15 kN으로 나타났다. 상하 면재의 두께를 모두 증가시키면 파손하중이 1.
시험 결과, 전단하중이 상부 외피 쪽에서만 가해지므로, 정도의 차이는 있지만 모든 체결부에서 모멘트에 의한 회전과 이로 인한 상하 비대칭 파손이 발생하는 것을 확인하였다. 본 연구에서 적용된 2종류의 인서트 체결부 중에서는 두께방향으로 인서트가 관통한 형식인 쓰루 클리어런스 형식의 파손하중이 높았다.
이는 상부 면재의 두께만 증가시켜도 상하 면재의 두께를 모두 증가시킨 경우의 파손하중 증가분의 74% 수준의 증가가 있음을 의미하는 것이다. 이로 미루어 인서트의 플렌지와 맞닿아있는 상부 면재가 파손하중을 결정하는데 더 중요한 역할을 하는 것을 확인할 수 있다.
본 연구에서 적용된 2종류의 인서트 체결부 중에서는 두께방향으로 인서트가 관통한 형식인 쓰루 클리어런스 형식의 파손하중이 높았다. 인서트가 없는 포팅 형식의 경우 딤플 와셔의 보강효과로 인해 파손하중이 증가함을 확인하였다. 샌드위치 체결부에서 면재의 두께는 중요한 변수이며 특히 인서트 형식의 경우 하중을 직접 받는 상부 면재가 더 큰 영향을 미치는 것을 확인하였다.
체결부 파손하중을 종합적으로 비교하면 직관적인 판단과는 달리 인서트 형식에 비해 포팅 형식 체결부의 파손하중이 크게 떨어지지 않는 것을 알 수 있다. 딤플 와셔를 사용한 시편 BP3의 경우 쓰루 클리어런스 인서트보다도 더 높은 파손하중을 보이기도 한다.
을 나타낸 것이다. 표에 제시된 결과를 보면 근사적으로 평가한 체결부의 파손하중은 시험 값에 비해 15.3~24.5%에 불과하다. 이러한 차이는 사용된 수식이 실제 파손이 일어나는 메커니즘을 충분히 반영하지 못하고 있기 때문이다.

후속연구

포팅 형식의 시편 BP3가 BP1보다 높은 파손하중을 보이는 것은 딤플 와셔에 의한 보강효과에 기인한 것으로 볼 수 있다. 딤플 와셔 형태의 경우 경사지게 가공된 원공 주위로 와셔가 장착되어 볼트 머리에서 포팅영역으로 전달되는 하중이 더 넓은 면적으로 분산되기 때문으로 판단되지만, 추가적인 해석을 통해 응력분포를 비교할 필요가 있을 것으로 보인다.
7에 보인 바와 같이 인서트를 사용한 경우 하중을 가하는 상부의 형태는 동일하지만 하부의 너트 직경이 인서트보다 작기 때문에 너트에 의한 구속효과가 상대적으로 약하게 설계되어 있다. 따라서 두 체결방식에 대한 정확한 비교를 위해서는 너트의 종류와 크기, 인서트와의 상대적 관계 등의 변수에 대한 종합적인 고려가 필요할 것으로 판단된다.
박용빈 등[17]은 복합재 면재를 사용한 다양한 샌드위치 구조물에 대해 풀아웃 시험을 수행하고 각각의 체결부에 발생하는 파손 형상을 체계적으로 분석하였다. 이상에서 살펴본 바와 같이 샌드위치 체결부의 강도는 사용된 재료뿐만 아니라 하중의 형태(굽힘, 풀아웃 혹은 조합하중 등)에 따라 그 결과는 크게 달라지므로 관련 인자에 대한 체계적인 연구가 필요하다. 현재 제한된 연구 결과들이 보고되고 있으나, 재료 및 적용 분야의 다양성에 비추어 지속적인 연구가 필요한 실정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	샌드위치 구조물이란 무엇인가?	샌드위치 구조물은 면내하중을 지지하는 면재(face)와 횡하중(transverse load) 즉, 면외 하중을지지하는 코어(core)로 구성된 복합 구조물이다. 항공기의 구조상으로 면재는 I-보의 플랜지와 같은 역할을 담당하고, 코어는 웹의 역할을 담당하게 된다.
	샌드위치 체결부 강도에 영향을 미치는 변수는 무엇이 있는가?	샌드위치 체결부 강도에 영향을 미치는 변수는, 구성 재료, 코어의 밀도와 높이, 인서트의 유격 등으로 매우 다양하다[12,13]. 하지만 본 연구는 현재 국내에서 개발하고 있는 항공기의 설계에 사용된 형상 및 재료를 사용한 체결부에 대한 검증을 주목적으로 하고 있으므로, 체결 방식에 대한 영향을 집중적으로 분석하였다.
	항공기의 면재와 코어에는 어떠한 재료가 사용되는가?	항공기의 구조상으로 면재는 I-보의 플랜지와 같은 역할을 담당하고, 코어는 웹의 역할을 담당하게 된다. 일반적으로 면재에는 대부분 금속이나 섬유강화 복합재료와 같은 강성이 큰 재료를, 코어에는 PVC 폼(foam), 발사 혹은 노멕스(Nomex)나 알루미늄 하니콤(honeycomb)과 같이 면재를 지지할 수 있을 정도의 가벼운 재료를 사용한다. 하지만 가볍지만 부드럽고 약한 재료로 만들어지는 샌드위치 코어로 인해 볼트나 리벳과 같은 체결재에 대한 지지능력도 약해진다.

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원문보기 상세보기
박용빈, 양현정, 권진회, 최진호, 조현일, " 풀아웃 하중을 받는 복합재 샌드위치 체결부의 파손거동 연구", 한국복합재료학회지, 제 24권 제 1호, 2011, pp. 17-23.
Structural Calculations, SR-88P55900-001, Korea Aerospace Industries, Korea, 2008.

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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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