[논문]GFRP/Mg 단일겹치기 접착 체결부의 응력집중 저감에 관한 연구 : 유한요소해석

김정석; 윤혁진; 황재연

doi:10.7782/jksr.2011.14.2.94

GFRP/Mg 단일겹치기 접착 체결부의 응력집중 저감에 관한 연구 : 유한요소해석
Stress Reduction Methods of GFRP/Mg Single Lap Bonded Joints : Finite Element Analysis 원문보기

한국철도학회 논문집 = Journal of the Korean Society for Railway, v.14 no.2 = no.63, 2011년, pp.94 - 99

김정석 (한국철도기술연구원 철도구조연구실) , 윤혁진 (한국철도기술연구원 구조연구실) , 황재연 (한국철도기술연구원 구조연구실)

초록
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본 연구에서는 GFRP/Mg 단일겹치기 접착 조인트의 접착부재 형상에 따른 응력집중 완화효과를 평가하였다. 이를 위해 6가지 서로 다른 접착부재의 끝단부 형상에 대해 비선형 유한요소 해석을 수행하였다. 또한, 서로 다른 끝단부 형상에 따른 접착층내 응력의 3차원 구 배를 고찰하였다. 해석결과, 접착부재가 순방향 테이퍼를 갖고 필렛이 없는 모델 (모델 2번)이 가장 높은 응력 값을 보였다. 반면, 사각형 접착부재에 필렛이 부과된 모델 (모델 3번)과 역방향 테이퍼를 갖고 필렛이 부과된 모델 (모델 5번)은 기준모델에 비해 65.7%와 65.6%의 응력저감 효과가 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the stress reduction effect was evaluated for GFRP/Mg single lap bonded joints according to six different adherend shapes. Six different types of the single lap joint specimen were modeled and assessed using geometrically nonlinear finite element analysis. Moreover, three dimensional effect of stress distribution for the different adherend shapes was investigated. From the analysis, the dissimilar single lap bonded joint with the normal tapering and without the spew fillet (model 2) showed the highest stress values. In contrast, the peel stress values of both the square ended adherends with the spew fillet (model 3) and the reverse tapered adherends with the spew fillet (model 5) were 65.8% and 65.5% lower than the reference model.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러나, 마그네슘 합금의 경우 우수한 기계적 및 전기적 특성 때문에 향후 적용이 확대될 것으로 전망된다. 따라서, 본 연구에서는 이종소재인 유리/에폭시 복합소재와 마그네슘 합금으로 구성된 단일겹치기 조인트에서 접착부재 형상 및 필렛 유무에 따른 응력집중 완화 효과를 평가하였다. 이를 위해 6가지 서로 다른 끝단부 형상을 갖는 접착부재로 접착된 단일 겹치기 조인트를 모델링하고, 비선형 유한요소 해석을 수행하였다.
1과 같이 마그네슘 합금부의 한쪽 끝단은 고정지지조건을 부과하고 반대쪽 유리/에폭시 접착부재의 끝 단에는 Tsai [4]의 시험결과와 비교하기 위해 F=4448N의 하중을 부과하였다. 본 연구에서는 Fig. 2와 같이 6가지 서로 다른 끝단부 형상을 갖는 모델을 이용하여 이종소재로 구성된 단일겹치기 접착조인트의 접착부재 끝 단부 형상에 따른 응력감소효과를 고찰하였다. 각 모델의 특징은 다음과 같다.

가설 설정

순방향 테이퍼가 부과된 모델 1번의 경우 (Fig. 4(b)) 수직 및 전단응력의 분포는 기준모델과 유사한 거동을 보였다. 그러나, B 점에서 발생하는 최대 수직응력 값이 기준모델에 비해 약 14.

제안 방법

· 본 연구에서는 유리/에폭시와 마그네슘 합금의 이종소재 접착조인트에 대한 비선형 유한요소해석을 통해 두 경량소재의 조합 시 접합강도를 극대화 시킬 수 있는 접착부재 형상을 도출하였다.
본 연구에서는 접착층 중앙(centerline of the adhesive layer) 및 접착부재와의 계면에서의 응력분포를 고찰하기 위해 3D 솔리드 요소(solid element)를 이용하였다. 모델의 대칭성을 고려하여 폭 방향으로 1/2모델만을 모델링 하였다. 해석은 ABAQUS [8]를 이용하였으며, 해석에 이용된 요소는 솔리드 8절점 C3D8IC3요소를 이용하였다.
본 연구에서는 접착부재의 형상에 따른 접착층의 응력분포를 고찰하기 위해 Fig. 1에서 z=W/2에 해당하는 접착 층의 표면에서 응력 값을 비교하였다. Fig.
본 연구에서는 접착층 중앙(centerline of the adhesive layer) 및 접착부재와의 계면에서의 응력분포를 고찰하기 위해 3D 솔리드 요소(solid element)를 이용하였다. 모델의 대칭성을 고려하여 폭 방향으로 1/2모델만을 모델링 하였다.
해석은 ABAQUS [8]를 이용하였으며, 해석에 이용된 요소는 솔리드 8절점 C3D8IC3요소를 이용하였다. 유한요소 모델링 시 각 방향으로 요소 수를 등 간격으로 생성하기 않고 응력집중이 크게 발생하는 분은 더욱 조밀하도록 10배의 편의(bias)를 주어 모델링 하였다. 해석은 단일 겹치기 접착 체결부의 대변형(large deflection)을 고려하기 위한 기하학적 비선형 해석(geometric nonlinear analysis)을 수행하였다.
따라서, 본 연구에서는 이종소재인 유리/에폭시 복합소재와 마그네슘 합금으로 구성된 단일겹치기 조인트에서 접착부재 형상 및 필렛 유무에 따른 응력집중 완화 효과를 평가하였다. 이를 위해 6가지 서로 다른 끝단부 형상을 갖는 접착부재로 접착된 단일 겹치기 조인트를 모델링하고, 비선형 유한요소 해석을 수행하였다.

대상 데이터

36mm 이다. 본 연구에서 사용된 유리/에폭시 복합소재(GFRP, GEP224)와 마그네슘 (AZ31B)의 물성치는 Table 1과 같고, 유리/에폭시 복합소재 접착부재는 [0/45/-45/90]5s의 적층구조를 갖는다.
접착층은 FM73 접착제로 두께는 tc=0.36mm 이다. 본 연구에서 사용된 유리/에폭시 복합소재(GFRP, GEP224)와 마그네슘 (AZ31B)의 물성치는 Table 1과 같고, 유리/에폭시 복합소재 접착부재는 [0/45/-45/90]5s의 적층구조를 갖는다.
해석은 단일 겹치기 접착 체결부의 대변형(large deflection)을 고려하기 위한 기하학적 비선형 해석(geometric nonlinear analysis)을 수행하였다. 해석시 접착부재의 두께방향 요소 수는 16개로 요소당 높이는 약 0.25mm이고, 접착재의 경우에는 두께방향 요소수는 10개로 요소당 높이는 약 0.36mm로 모델링 하였다. 이 두께방향 요소 수는 Tsai [4]의 시험 치와 가장 잘 일치하는 것으로 결정하였다.
모델의 대칭성을 고려하여 폭 방향으로 1/2모델만을 모델링 하였다. 해석은 ABAQUS [8]를 이용하였으며, 해석에 이용된 요소는 솔리드 8절점 C3D8IC3요소를 이용하였다. 유한요소 모델링 시 각 방향으로 요소 수를 등 간격으로 생성하기 않고 응력집중이 크게 발생하는 분은 더욱 조밀하도록 10배의 편의(bias)를 주어 모델링 하였다.

데이터처리

본 연구에서 수행한 단일 겹치기 접착 체결부에 대한 유한요소 해석모델의 신뢰성을 평가하기 위해 Tsai [4]가 시험에 적용한 모델에 대한 유한요소해석을 수행하고 시험결과와 비교하였다. Tsai [4]가 시험 시 사용한 단일 겹치기 접착 체결부는 두께 t=2.

이론/모형

유한요소 모델링 시 각 방향으로 요소 수를 등 간격으로 생성하기 않고 응력집중이 크게 발생하는 분은 더욱 조밀하도록 10배의 편의(bias)를 주어 모델링 하였다. 해석은 단일 겹치기 접착 체결부의 대변형(large deflection)을 고려하기 위한 기하학적 비선형 해석(geometric nonlinear analysis)을 수행하였다. 해석시 접착부재의 두께방향 요소 수는 16개로 요소당 높이는 약 0.

성능/효과

Fig. 3(a) 는 필렛이 없는 경우에 대한 결과로 수직 변형률의 경우 x/c=0.7~0.95에서 시험 치와 오차를 보이나 전체적으로 시험 치와 잘 일치하고 있으며, x/c=1에서 시험 치와의 오차는 약 4.84%였다. 전단 변형률의 경우 x/c=0.
이전 절의 응력분석에서 수직응력이 높은 모델들은 응력구배 역시 크게 발생하였다. 가장 응력구배가 큰 모델은 기준모델로 접착층 중앙이 바깥표면에 비해 약 51% 높은 값을 보였다. 그러나, 수직응력이 가장 낮았던 모델 3번과 5번의 경우 접착층 중앙이 바깥표면에 비해 약 6.
또한, 접착 체결부 끝단에 필렛(spew fillet)이 존재할 경우 응력집중을 완화시킬 수 있음을 확인하였다. 또한, 기하학적 비선형 거동의 고려가 접착층(bond layer)의 응력분포 예측 정확도에 상당한 영향을 미치는 것을 확인하였다. 김정석 [5]등은 유한요소에 따른 복합소재 단일겹치기 접착조인트의 거동을 평가하여 3D 솔리드 요소는 적절한 유한요소 수를 부과할 경우 수직 및 전단변형률을 가장 정확히 예측함을 확인하였다.
이와 관련된 연구로 Tsai [4] 등은 모아레 프린지(Moire fringe) 기법과 유한요소 해석기법을 이용하여 복합재 단일 겹치기 접착 체결부(composite single lap joint)의 응력분포를 고찰하였다. 또한, 접착 체결부 끝단에 필렛(spew fillet)이 존재할 경우 응력집중을 완화시킬 수 있음을 확인하였다. 또한, 기하학적 비선형 거동의 고려가 접착층(bond layer)의 응력분포 예측 정확도에 상당한 영향을 미치는 것을 확인하였다.
164 부분이 필렛부이다. 시험결과에 근거해 볼 때 필렛이 존재할 경우 필렛이 없는 모델에 비해 필렛의 끝 단인 x/c=1.164기준으로 수직 변형률의 경우 약 35.3%, 전단 변형률의 경우 약 73.7% 감소하였다. 또한, 수직 변형률의 경우 필렛의 시작 부(x/c=1)에서 음의 최대값을 가지며 전단 변형률의 경우 x/c=1 직전에 최대값을 보였다.
47%로 필렛이 없는 경우 대비 시험 치와 잘 일치하였다. 시험과 해석치의 최대오차는 필렛의 시작점에서 수직 변형률과 전단 변형률이 모두 가장 큰 오차를 보였다. 이상의 결과를 통해 본 연구의 유한요소 해석모델은 최대 13.
전단응력의 경우 모델 4번을 제외한 나머지 모델들에서 감소하였으며 최대 감소는 모델 5번에서 발생하였다. 이상의 결과를 분석한 결과 기준모델에 필렛이 부과된 모델 3번과 접착부재에 역방향 테이퍼와 필렛을 부과한 모델 5번이 응력감소율이 가장 높아 체결강도가 가장 우수할 것으로 예측된다.
시험과 해석치의 최대오차는 필렛의 시작점에서 수직 변형률과 전단 변형률이 모두 가장 큰 오차를 보였다. 이상의 결과를 통해 본 연구의 유한요소 해석모델은 최대 13.1%이내에서 신뢰성을 확인할 수 있었다.
4(c)에서 알 수 있듯이 테이퍼가 시작되는 부분에서 변곡점이 발생하였다. 이상의 모델들에 대한 응력분포에 대한 고찰을 통해 모든 모델에서 최대수직 및 전단응력이 B지점에서 발생하나, 모델 2번의 경우 최대전단응력은 마그네슘 부재의 테이퍼가 시작되는 부분에서 발생함을 알 수 있었다.
4의 모델들에 비해 응력 값이 현저히 감소된 것을 확인할 수 있다. 최대 수직응력의 경우 기준모델 대비 약 65.8% 감소하였고, 전단응력의 경우 43.2% 감소하였다. Fig.
4(c)는 접착부재에 역방향 테이퍼가 부과된 모델에 대한 응력분포를 나타낸 것이다. 최대 수직응력의 경우 기준모델에 비해 약 10%정도 감소하였고, 전단응력의 경우 42.2% 감소하였다. 수직 및 전단응력의 분포는 Fig.
이것은 유리/에폭시 접착부재의 강성이 마그네슘의 강성에 비해 낮기 때문에 유리/에폭시 접착부제에서 굽힘 변형이 크게 발생하기 때문이다. 최대 수직응력의 경우 최대 전단응력에 비해 41.6% 큰 값을 보였다.
또한, 수직 변형률의 경우 필렛의 시작 부(x/c=1)에서 음의 최대값을 가지며 전단 변형률의 경우 x/c=1 직전에 최대값을 보였다. 해석결과의 경우 필렛 끝 단 (x/c=1.164)에서의 오차는 수직 변형률의 경우 약 6.61%, 전단 변형률의 경우 약 0.47%로 필렛이 없는 경우 대비 시험 치와 잘 일치하였다. 시험과 해석치의 최대오차는 필렛의 시작점에서 수직 변형률과 전단 변형률이 모두 가장 큰 오차를 보였다.

후속연구

마그네슘의 경우에는 스틸이나 알루미늄에 비해 적용범위가 제한적이고 최근에 적용되기 시작한 소재이기 때문에 관련 연구 또한 빈약한 실정이다. 그러나, 마그네슘 합금의 경우 우수한 기계적 및 전기적 특성 때문에 향후 적용이 확대될 것으로 전망된다. 따라서, 본 연구에서는 이종소재인 유리/에폭시 복합소재와 마그네슘 합금으로 구성된 단일겹치기 조인트에서 접착부재 형상 및 필렛 유무에 따른 응력집중 완화 효과를 평가하였다.
· 본 연구에서는 유리/에폭시와 마그네슘 합금의 이종소재 접착조인트에 대한 비선형 유한요소해석을 통해 두 경량소재의 조합 시 접합강도를 극대화 시킬 수 있는 접착부재 형상을 도출하였다. 이는 향후 철도차량 경량화를 위한 다중소재 적용 시 소재간 접착부 설계 시 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
마그네슘 합금의 비중은 알루미늄의 60%, 스틸의 25% 수준으로 거의 복합소재와 유사하다. 향후, 철도분야에서도 의자프레임, 전장품 박스, 내장재 등에 적용 가능하다. 이러한 경량 신소재를 동시에 적용할 경우에는 차량의 무게를 획기적으로 줄일 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	차량분야 경량화는 어떻게 달성될 수 있는가?	최근 항공분야뿐만 아니라 자동차 및 철도분야에서도 경량화에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한, 차량분야 경량화는 기존 소재에 대한 최적설계와 더불어 경량 신소재의 도입을 통해서 달성될 수 있다. 이러한 신소재 중 복합소재는 높은 비강도, 비강성 및 우수한 피로특성으로 인해 경량구조물에 적용이 증가되고 있는 추세이다.
	이종소재간의 체결기법에는 어떤 것들이 널리 이용되고 있는가?	그러나, 이러한 이종소재를 적용할 경우 가장 중요한 부분이 소재간의 체결이다. 일반적으로 이종소재간의 체결기법으로는 접착 체결(adhesive bonding), 기계적 체결(mechanical joining) 및 하이브리드 체결기법(hybrid joining)이 널리 이용되고 있다. 기계적 체결기법의 경우 분해가 용이하고, 표면처리가 불필요한 장점이 있지만 중량증가 및 응력집중을 유발하는 단점이 있다 [1-3].
	마그네슘 합금은 어디에 적용 가능한가?	마그네슘 합금의 비중은 알루미늄의 60%, 스틸의 25% 수준으로 거의 복합소재와 유사하다. 향후, 철도분야에서도 의자프레임, 전장품 박스, 내장재 등에 적용 가능하다. 이러한 경량 신소재를 동시에 적용할 경우에는 차량의 무게를 획기적으로 줄일 수 있다.

참고문헌 (9)

M. White (1998) On the time-reversed electromagnetic waves, IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, 7(4), pp. 13-15.
P. Mai, Y. Lu (2006) Dynamic modeling for a rolling coin, Journal of Sound and Vibration, 48(6), pp. 753-780.
A.Y.T. Leung, X. Guo, X.Q. He, S. Kitipornchai, S. (2004) A continuum model for zigzag carbon nanotubes, Applied Physics Letters, 86(3), pp. 551-561.
H. Kim, C.H. Park, K.H. Law, C.R. Farrar, et al. (2005) Damage detection in composite plates by using the time reversal method, Journal of the Korean Society for Railway, 10(3), pp. 141-151.
I.A. Viktorov (1967) Rayleigh and Lamb Waves in Plates: Theory and Applications, Plenum Press, NY, pp. 442-443.
H.M. Ashley (2008) Vibration of circular plates, PhD Thesis, Stanford University.
V. Rose, L. Bao (2007) Vibration of the plate with a hole, Proceedings of the 25th ASCE International Civil Engineering Congress, New Orleans, LA, pp. 47-52.
T.W. Steele (2001) Electrical properties of ceramics, University of Southampton, ISVR Memorandum ISAV 101.
M. Petyt (2005) Measurement process of plate vibration, U.S. Patent No. 2,043,416.

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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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
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