본 연구에서는, 복합재 샌드위치를 수중운동체용 구조물에 적용하기 위한 기초연구로서, 샌드위치 복합재 원통의 제작, 좌굴 해석 및 시험 방법, 중량저감 효과를 분석하였다. 우선 변재에 주름이 생기지 않도록 하는 2단계 샌드위치 제작 방법을 소개하고, 이를 사용하여 원통을 제작하여 수압시험을 수행하였다. 동시에 MSC Nastran의 셀요소와 고체요소를 사용한 유한 요소해석을 수행하여 시험결과와 비교하였다. 시험과 해석의 결과 비교로부터 선형 유한요소해석으로도 샌드위치 원통의 좌굴압력을 3% 내외의 오차로 정확히 예측할 수 있음을 확인하였다. 또한 필라멘트 와인딩 원통에 대한 인자연구를 통해 샌드위치를 사용할 경우 동일한 지지압력에서 필라멘트 와인딩 원통보다 최소 30% 이상 무게가 줄어드는 것을 확인하였다.
본 연구에서는, 복합재 샌드위치를 수중운동체용 구조물에 적용하기 위한 기초연구로서, 샌드위치 복합재 원통의 제작, 좌굴 해석 및 시험 방법, 중량저감 효과를 분석하였다. 우선 변재에 주름이 생기지 않도록 하는 2단계 샌드위치 제작 방법을 소개하고, 이를 사용하여 원통을 제작하여 수압시험을 수행하였다. 동시에 MSC Nastran의 셀요소와 고체요소를 사용한 유한 요소해석을 수행하여 시험결과와 비교하였다. 시험과 해석의 결과 비교로부터 선형 유한요소해석으로도 샌드위치 원통의 좌굴압력을 3% 내외의 오차로 정확히 예측할 수 있음을 확인하였다. 또한 필라멘트 와인딩 원통에 대한 인자연구를 통해 샌드위치를 사용할 경우 동일한 지지압력에서 필라멘트 와인딩 원통보다 최소 30% 이상 무게가 줄어드는 것을 확인하였다.
In this paper, as a basic research to apply the composite sandwich to underwater vehicle, the manufacturing, analysis and test methods, and weight saving effect of a composite sandwich cylinder under external pressure were studied. A two-step manufacturing method to prevent the wrinkling of the sand...
In this paper, as a basic research to apply the composite sandwich to underwater vehicle, the manufacturing, analysis and test methods, and weight saving effect of a composite sandwich cylinder under external pressure were studied. A two-step manufacturing method to prevent the wrinkling of the sandwich cylinder face was proposed and the three cylinders were made and tested. Finite element results based on the shell and solid model using MSC.Nastran were compared with test results. The comparison showed that the linear finite element analysis using the shell and solid elements can predict the buckling pressure of the sandwich cylinder with approximately 3% difference. The parametric study of the filament wound cylinders revealed that the composite sandwich can reduce the weight of the cylinder more than 30% compared with the filament wound cylinder supporting the same pressure.
In this paper, as a basic research to apply the composite sandwich to underwater vehicle, the manufacturing, analysis and test methods, and weight saving effect of a composite sandwich cylinder under external pressure were studied. A two-step manufacturing method to prevent the wrinkling of the sandwich cylinder face was proposed and the three cylinders were made and tested. Finite element results based on the shell and solid model using MSC.Nastran were compared with test results. The comparison showed that the linear finite element analysis using the shell and solid elements can predict the buckling pressure of the sandwich cylinder with approximately 3% difference. The parametric study of the filament wound cylinders revealed that the composite sandwich can reduce the weight of the cylinder more than 30% compared with the filament wound cylinder supporting the same pressure.
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문제 정의
또한 유한요소해석을 통하여 시험 결과와 좌굴해석 결과를 비교하여 샌드위치 원통의 유한요소해석 방법을 분석하였다. 동시에 필라멘트 와인딩(filament winding) 복합재 원통에 대한 좌굴해석을 수행하여 샌드위치 복합재 원통의 무게 저감 효과에 대해서도 연구하였다.
따라서 본 연구에서는 샌드위치를 외부 수압을 받는 원통 형태의 복합재 구조물에 적용하는 방법을 제시하고, 실제 시편을 제작하여 수압 시험을 수행하였다. 또한 유한요소해석을 통하여 시험 결과와 좌굴해석 결과를 비교하여 샌드위치 원통의 유한요소해석 방법을 분석하였다.
본 논문에서는 샌드위치 구조를 원통 형태의 복합재 구조물에 적용하기 위한 기초연구로서, 샌드위치 복합재 원통을 제작하여 수압시험을 수행하였다. 샌드위치 원통은 본 연구에서 제안한 2단계 성형방법으로 제작하였고, 유한요소해석 결과와 비교하였다.
또한 샌드위치 원통의 좌굴압력은 2 차원 쉘요소(면재)와 3차원 고체요소(심재)를 사용한 선형 유한요소해석을 통해 약 3% 내외의 오차로 예측할 수 있음을 확인하였다. 본 연구를 통하여 샌드위치 구조물이 외부압력을 받는 원통 형태의 구조물에서 중량을 저감할 수 있는 대안이 될 수 있는 가능성을 확인하였다.
가설 설정
상대적으로 두께가 얇은 면재에는 총 5160개의 CQUAD4 요소[19}를 사용하였고, 두께가 두꺼운 코어에는 2580개의 CHEXA 요쇠 19]를 사용하였다. 실제 시험에서 적용된 경계조건을 반영하기 위하여 시험기기에 부착되는 좌단은 고정지지, 플랜지로 보강되는 우단은 종축방향 변위를 허용하는 고정지지로 가정하였다. 또한 원통의 우단 중앙에 절점(node)을 생성하여 우단 끝 절점들과 RBE2 요소[19]로 묶어주었다.
제안 방법
고 헬리컬 와인딩 층의 각도를 0。, 30°, 60。로 변화시켜보았다. 그 중에서 가장 뛰어난 효율을 보인 각도를 기준으로 후프 와인딩 층의 비율을 0%, 10%, 30%로 바꿔보았다. 각 조건에 따른 원통의두께와 무게, 그리고 파손 종류를 Table 4에 나타내었다.
따라서 여러 인자들을 고려하여 최적의 조합을 적용할 경우 가장 효율적인 구조설계가 될 수 있다. 그러나 본 연구에서는 샌드위치 면재 역시 실험실에서의 제작 편의성을 고려하여 단순 직각 적층 방식(cross-ply)을 사용하였음을 고려하여, 필라멘트 와인딩 원통의 해석에서도 최적화 작업은 수행하지 않고, 인자 연구를 통해 주요 인자의 효과만을 고려하였다.
실험실에서의 시편 제작 용이성을 고려하여 면재의 적층각은 0。와 90。로 설정하였다. 노멕스 허니콤 코어를 복합재 원통에 적용하기 위하여 코어를 30 mm 폭으로 절단하고, 원통의 원주방향으로 돌아가며 접착하였다. 면재와 코어의 접착에는 Cytec사의 필름(film) 접착저), FM73M을, 코어와 코어의 접착에는 PTM&W Industries사의 페이스트(paste) 접착제, ES6292를 사용하였다.
그러나 원통의 경우 성형 과정에서 가해지는 압력으로 인해 면재에 주름이 생기기 쉽기 때문에 이를 방지하기 위한 공정이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 외부 몰드(mold)와 진공백 공정을 이용한 2단계 동시접착(co-bonding) 방법으로 샌드위치 복합재 원통을 제작하였다. 동시접착 방법 중 일차 성형에서는 프리프레그(prepreg)의 성형 사이클(cycle)에 따라 외부 몰드를 이용하여 바깥쪽 면재를 먼저 성형하여 표면 결함을 최소화하였다.
15 MPa이다. 따라서 필라멘트 와인딩 복합재 원통의 목표 압력을 5.15 MPa로 설정하고, 샌드위치 복합재 원통과 동일한 하중형태 및 경계조건에서의 무게를 계산해보았다.
따라서 본 연구에서는 샌드위치를 외부 수압을 받는 원통 형태의 복합재 구조물에 적용하는 방법을 제시하고, 실제 시편을 제작하여 수압 시험을 수행하였다. 또한 유한요소해석을 통하여 시험 결과와 좌굴해석 결과를 비교하여 샌드위치 원통의 유한요소해석 방법을 분석하였다. 동시에 필라멘트 와인딩(filament winding) 복합재 원통에 대한 좌굴해석을 수행하여 샌드위치 복합재 원통의 무게 저감 효과에 대해서도 연구하였다.
따라서 시편의 좌단에는 시편을 시험장치에 고정시켜줄 플랜지가 필요하고, 우단에는 물의 유입을 막아줄 수 있는 플랜지가 필요하다. 본 연구에서는 강(SM 45C)을 사용하여 시편과 이 중 겹침으로 결합되는 플랜지를 제작하였다. 시편과 플랜지와의 접착에는 Araldite AW106과 Hardener HV 953U를 1:0.
샌드위치 복합재 원통의 무게 저감 효과를 확인하기 위하여 필라멘트 와인딩 복합재 원통과 비교하였다. 유한요소 모델에는 총 3024개의 CQUAD4 요소가 사용되었고, 하중 및 경계조건은 샌드위치 복합재 원통과 동일하게 적용되었다.
수압 시험은 울산대학교에서 보유하고 있는 수압시험기 (Fig. 5 참조)를 사용하여 수행하였다. 호스를 통해 물이 기기로 유입되고, 수압은 최대 40 MPa까지 가할 수 있는 자동펌프를 이용하여 조절된다.
본 연구에서는 강(SM 45C)을 사용하여 시편과 이 중 겹침으로 결합되는 플랜지를 제작하였다. 시편과 플랜지와의 접착에는 Araldite AW106과 Hardener HV 953U를 1:0.8의 비율로 혼합한 접착제를 사용하여 상온에서 24시간 이상 경화시켰다. 플랜지를 결합한 시편의 모습을 Fig.
또한 용기의 한쪽 끝이 열린 형태로 제작되어 수압증가에 따른 원통 내부의 모습을 육안으로 확인할 수 있다. 원통 내부에는 원주방향으로 90도마다 총 8개의 변형률 게이지를 설치하여, 길이방향과 원주방향의 변형률을 측정하였다.
대상 데이터
면재 제작에 사용된 프리프레그는 SK chemical사의 탄소 에폭시 일방향 프리프레그(prepreg)인 USN125이고 코어는 M.C. Gill사의 노멕스 허니콤(Nomex honeycomb)이다. 시험용 원통 은총 3개를 제작하였다.
노멕스 허니콤 코어를 복합재 원통에 적용하기 위하여 코어를 30 mm 폭으로 절단하고, 원통의 원주방향으로 돌아가며 접착하였다. 면재와 코어의 접착에는 Cytec사의 필름(film) 접착저), FM73M을, 코어와 코어의 접착에는 PTM&W Industries사의 페이스트(paste) 접착제, ES6292를 사용하였다. 시편에 대한 자세한 정보와 원통 제작과정을 Fig.
본 연구에서 사용한 샌드위치 복합재 원통의 좌굴해석 결과값은 5.15 MPa이다. 따라서 필라멘트 와인딩 복합재 원통의 목표 압력을 5.
상대적으로 두께가 얇은 면재에는 총 5160개의 CQUAD4 요소[19}를 사용하였고, 두께가 두꺼운 코어에는 2580개의 CHEXA 요쇠 19]를 사용하였다. 실제 시험에서 적용된 경계조건을 반영하기 위하여 시험기기에 부착되는 좌단은 고정지지, 플랜지로 보강되는 우단은 종축방향 변위를 허용하는 고정지지로 가정하였다.
Gill사의 노멕스 허니콤(Nomex honeycomb)이다. 시험용 원통 은총 3개를 제작하였다. 실험실에서의 시편 제작 용이성을 고려하여 면재의 적층각은 0。와 90。로 설정하였다.
유한요소 모델에는 총 3024개의 CQUAD4 요소가 사용되었고, 하중 및 경계조건은 샌드위치 복합재 원통과 동일하게 적용되었다. 해석에 사용된 유한요소모델을 Fig.
데이터처리
수압시험을 수행하였다. 샌드위치 원통은 본 연구에서 제안한 2단계 성형방법으로 제작하였고, 유한요소해석 결과와 비교하였다. 제작된 샌드위치 원통은 동일한 외부압력을 지지하는 필라멘트 와인딩 원통에 비해 최소 30% 이상 무게를 줄일 수 있었다.
이론/모형
좌굴해석에는 상용 유한요소 프로그램인 MSC NASTRAN을 사용하였다. 상대적으로 두께가 얇은 면재에는 총 5160개의 CQUAD4 요소[19}를 사용하였고, 두께가 두꺼운 코어에는 2580개의 CHEXA 요쇠 19]를 사용하였다.
성능/효과
MSC NASTRAN을 이용하여 좌굴해석을 수행한 결과, 샌드위치 복합재 원통의 좌굴하중은 5.15 MPa로 나타났으며, 좌굴모드는 원주방향으로 3개의 웨이브(wave), 종축방향으로 1개의 웨이브를 보였다. 시험에서는 좌굴과 파손이 순간적으로 발생하고, 파손 발생과 함께 시험장치의 물이 원통의 내부로 쏟아져 들어오므로 좌굴모드를 촬영하여 비교하는 것은 어려웠다.
제작된 샌드위치 원통은 동일한 외부압력을 지지하는 필라멘트 와인딩 원통에 비해 최소 30% 이상 무게를 줄일 수 있었다. 또한 샌드위치 원통의 좌굴압력은 2 차원 쉘요소(면재)와 3차원 고체요소(심재)를 사용한 선형 유한요소해석을 통해 약 3% 내외의 오차로 예측할 수 있음을 확인하였다. 본 연구를 통하여 샌드위치 구조물이 외부압력을 받는 원통 형태의 구조물에서 중량을 저감할 수 있는 대안이 될 수 있는 가능성을 확인하였다.
샌드위치 원통은 본 연구에서 제안한 2단계 성형방법으로 제작하였고, 유한요소해석 결과와 비교하였다. 제작된 샌드위치 원통은 동일한 외부압력을 지지하는 필라멘트 와인딩 원통에 비해 최소 30% 이상 무게를 줄일 수 있었다. 또한 샌드위치 원통의 좌굴압력은 2 차원 쉘요소(면재)와 3차원 고체요소(심재)를 사용한 선형 유한요소해석을 통해 약 3% 내외의 오차로 예측할 수 있음을 확인하였다.
17 kg인 샌드위치 복합재 원통과 비교해보았을 때, 샌드위치 복합재 원통은 필라멘트 와인딩 원통 대비 약 31%의 무게를 저감할 수 있다. 현재의 샌드위치 원통은 최적화를 하지 않은 특정한 적층순서를 가진 경우이고, 필라멘트 와인딩 원통은 인자 연구를 통해 지지압력이 높은 경우를 가정한 것임에도 불구하고 샌드위치를 사용할 경우 30% 이상의 무게저감 효과를 거둘 수 있음을 확인하였다. 따라서 샌드위치의 면재를 최적화할 경우 무게 저감효과는 더 커질 것으로 기대할 수 있다.
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