[논문]원공을 가지는 복합재 적층판의 인장강도 예측 기법

이흔주; 신인수; 정문규; 권진회; 최진호

doi:10.7234/kscm.2011.24.4.029

원공을 가지는 복합재 적층판의 인장강도 예측 기법
A Method to Predict the Open-Hole Tensile Strength of Composite Laminate 원문보기

복합재료 : 한국복합재료학회지 = Journal of the Korean Society for Composite Materials, v.24 no.4, 2011년, pp.29 - 35

이흔주 (한국항공우주산업주식회사) , 신인수 (한국항공우주산업주식회사) , 정문규 (경상대학교 항공우주특성화대학원 항공우주공학) , 권진회 (경상대학교 항공우주시스템공학과, 항공기부품기술연구소) , 최진호 (경상대학교 기계공학부 항공기부품기술연구소)

초록
AI-Helper

전통적인 특성길이 방법을 이용하여 원공이 있는 복합재 적층판의 강도를 예측하기 위해서는 원공이 있는 적층뿐만 아니라 원공이 없는 적층판에 대한 시험 결과와 유한요소해석이 필요하였다. 본 논문에서는 응력집중계수와 재료상수를 이용하여 유한요소해석 없이 복합재 적층판 원공 주위의 응력분포 및 인장특성길이를 추정하고, 이를 바탕으로 원공이 있는 복합재 적층판의 인장강도를 예측할 수 있는 방법을 제안하였다. 또한 새로운 방법에서는 재료의 효과가 변수로 고려되므로 다양한 재료에 대한 적용이 가능하며 원공이 있는 복합재 적층판에 대한 시험도 생략할 수 있다. 적층판 주위의 응력분포는 유한요소해석과의 비교를 통해 검증하였고, 최종적으로는 USN125 탄소/에폭시 적층판을 제작하여 파손하중 예측 결과와 시험 결과를 비교하였다. 원공이 있는 다양한 형상의 복합재 적층판의 파손강도 예측 결과는 최대 8% 이내의 오차로 시험 결과와 잘 일치함을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The characteristic length method used to determine a laminate's strength generally requires the test for un-notched and notched laminates and finite element analysis together. In this paper, the methods used to predict the stress distribution and tensile characteristic length of open-hole laminates using the stress concentration factor and equivalent material properties are proposed. These methods do not require data on the failure load of open-hole laminates or finite element analysis. Once the stress and characteristic length have been determined, the failure load of the open-hole laminate can be calculated. The proposed method considers the effect of the material properties as a parameter and therefore can be applied to a variety of materials. The stress distribution is verified by comparing with a finite element analysis and test results. The predicted failure load shows a maximum deviation of 8% from the test results.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 T300/5208 복합재 적층판에 대한 시험과 유한요소해석 결과를 바탕으로, 다양한 재료상수 및 형상(원공 대 폭의 비)을 가진 원공이 있는 복합재 적층판의 파손 하중을 근사적으로 예측할 수 있는 방법을 제안하였다. 파손 메커니즘이 유사한 재료인 경우 제안된 방법을 사용하면, 원공이 없는 적층판의 인장강도와 재료의 기본 물성치만 주어지면 특성길이와 응력분포 및 파손하중을 간단히 구할 수 있게 된다.
본 연구에서는 원공이 있는 복합재 적층판에 대한 근사적인 응력분포식과 특성길이식을 도출하고, 이를 바탕으로 적층 판의 인장강도를 결정하는 방법을 제안한다. 유한요소해석을 사용하기 않으므로 기존의 특성길이 방법보다 시간과 비용을 절감할 수 있게 된다.
적용된다. 본 연구의 목적은 원공이 있는 적층판의 파손 하중 혹은 인장강도를 구하는 것이다. 따라서 인장 특성 길이가 결정되면 이 인장특성길이를 식 (2)의 y에 대입하고, 시험으로 구한 무한평판의 강도를 %에 대입하여, 그에 해당하는 하중 (P)를 구하면 그 하중이 적층판의 파손하중이 되는 것이다.

제안 방법

파손하중을 구한다. 다음으로 원공이 있는 시편의 파손 하중을 가하여 적층판 원공 주위에서의 응력분포를 구한다. Fig.
도출된 응력분포식의 타당성을 검증하기 위하여 USN₁₂5 적층 판에 시험으로 구한 파손하중을 적용하여 유한요소해석을 수행하고 식 (2)를 사용하여 구한 응력분포와 비교해 보았다. Fig.
2에 보인 실제 유한평판의 경우 적층판의 유효강성뿐만 아니라 기하학적 형상(W/D)도 응력분포에 영향을 미치게 된다. 따라서 본 연구에서는 T3%/5208로 제작된 16가지 원공 시편에 대한 유한요소 응력분포 결과를 다중회귀분석 (multiple regression analysis) 방법으로 커브 피팅(curve fitting)하여, 재료의 특성과 적층 판의 기하학적 형상0W)을 반영한 응력분포식을 제안하였다. 여기서 유한요소해석의 결과는 각 적층의 응력에 두께를 고려하여 계산한 평균응력이다.
본 연구에서는 T300/5208 적층판에 대한 시험[11, (2)과 해석결괴를- 바탕으로 재료의 특성을 나타내는 물성치와 형상을 나타내는 원공 직경 대 폭의 비를 독립변수로 하여 다중회귀 분석 방법을 이용하여 식 (3)에 보인 근사적인 특성길이 식을 개발하였다. 이 식을 이용할 경우 원공이 있는 적층판에 대한 추가적인 시험 없이 적층판의 인장특성길이를 구할 수 있게 된다.
원공이 있는 복합재 구조물의 강도해석에서 특성길이는원공이 있는 적층판과 원공이 없는 적층판에 대한 시험을 수행하여 파손하중과 퍄손강도를 얻고 이를 유한요소해석에 의한 원공주위에서의 응력분포 결과와 결합하여 결정한다. 특성 길이가 결정되면, 유사한 형태의 다른 복합재 구조에서도 특성 길이의 경계 영역까지 파손이 전파되면 구조적 파손이 일어났다고 판단하게 된다.
원공이 있는 복합재의 특성길이를 결정하기 위하여 먼저원공이 없는 시편에 대한 인장강도와 원공이 있는 적층 판에 대한 파손하중을 구한다. 다음으로 원공이 있는 시편의 파손 하중을 가하여 적층판 원공 주위에서의 응력분포를 구한다.
이론적으로 도출된 응력분포 및 인장특성길이(Rot)에 대한 식을 USN₁₂5로 제작한 검증 시편에 적용하여 시편의 인장강도를 예측해보았다. 시험은 Instron 5582를 사용하였으며 하중은 2 mm/min의 속도로 가하였다.

대상 데이터

T300/ 5208 재료와는 별도로, 재료가 달라질 경우에도 도출한 응력분포 식을 사용할 수 있는지에 대한 검토과 복합재 적층 판의 인장강도 예측 정확도를 확인하기 위해 SK 케미컬사의 USN₁₂5 탄소/에폭시 복합재료를 이용하여 시편을 제작하였다. 시편의 형상은 Fig.
예측해보았다. 시험은 Instron 5582를 사용하였으며 하중은 2 mm/min의 속도로 가하였다.
원공 주위의 응력분포에 관한 식을 유도하기 위해 사용된 재료는 T300/5208 탄소/에폭시 일방향 프리프레그이다. T300/ 5208 재료와는 별도로, 재료가 달라질 경우에도 도출한 응력분포 식을 사용할 수 있는지에 대한 검토과 복합재 적층 판의 인장강도 예측 정확도를 확인하기 위해 SK 케미컬사의 USN₁₂5 탄소/에폭시 복합재료를 이용하여 시편을 제작하였다.
Table 2는 각 시편의 적층 형태와 형상정보를 정리한 것이다. 응력분포식을 도출하기 위하여 사용한 T300/5208의 경우 적층형태 4가지와 시편 형상 4가지를 조합하여 총 16가지 적층판에 대한 결과를 사용하였다. 제안된 응력분포식 및 인장강도 예측 정확도의 검증을 위한 USN₁₂5 시편은 적층형태 3가지, 시편 형상 3가지를 조합하여 총 9 종류를 제작하였다.
응력분포식을 도출하기 위하여 사용한 T300/5208의 경우 적층형태 4가지와 시편 형상 4가지를 조합하여 총 16가지 적층판에 대한 결과를 사용하였다. 제안된 응력분포식 및 인장강도 예측 정확도의 검증을 위한 USN₁₂5 시편은 적층형태 3가지, 시편 형상 3가지를 조합하여 총 9 종류를 제작하였다.
Nastran을 사용하였고 적용 요소는 4절점 평판요소인 CQUAD4이다[15]. 해석에 사용된 유한요소 모델은 Fig. 3에 보였다. CASE 1의 W/D=6 인 시편에 대하여 제안된 식과 유한요소해석에 의한 응력분포 비교 결과를 Fig.

이론/모형

유한요소해석을 위한 소프트웨어는 MSC.Nastran을 사용하였고 적용 요소는 4절점 평판요소인 CQUAD4이다[15]. 해석에 사용된 유한요소 모델은 Fig.

성능/효과

Table 5어는 전체 결과를 보였다. 9가지 경우에 대하여 최대 6.3% 이내의 오차로 잘 일치함을 알 수 있다.
Fig. 8과 Table 7에 보인 바와 같이 재료가 달라짐에 따라 섬유방향 강성이 23% 증가하고, 시편의 폭 대 원공의 비 (W/D)7\ 4에서 6까지, 두께 t가 5.6 mm에서 2.1 mm로 변했음에도 불구하고 인장강도 예측값과 시험값의 차이는 최대 8% 이내이고, 평균 약 4% 정도에 불과함을 알 수 있다. 참고문헌 [10]에서 유한요소해석을 통하여 특성길이를 구하여 이를 바탕으로 인장강도를 예측한 경우에도 단일재료에 대해 최대 10.
원공 근처에서는 제안된 식에 의한 응력이 유한요소해석 결과보다 약간 높고, 전반적으로는 유한요소해석 결과보다 약간 낮은 값을 보이지만, 전체적으로 6% 이내의 오차로 매우 잘 일치하는 것을 볼 수 있다. Table 4는 T300/5208 시편에 대한 응력 예측 결과를 종합하여 보인 것인데 제안된 예측식을 사용할 경우 최대 5.7% 이내의 오차로 유한요소해석 결과와 잘 일치하는 결과를 얻을 수 있음을 알 수 있다.
2%의 오차로 매우 정확하게 예측함을 확인하였다. 따라서 본 연구의 결과를 이용할 경우 유한요소해석과 원공이 있는 탄소/에폭시 적층판에 대한 시험 없이 쉽고 정확하게 구조설계를 위한 허용하중을 계산할 수 있을 것으로 판단된다.
4에 나타내었다. 원공 근처에서는 제안된 식에 의한 응력이 유한요소해석 결과보다 약간 높고, 전반적으로는 유한요소해석 결과보다 약간 낮은 값을 보이지만, 전체적으로 6% 이내의 오차로 매우 잘 일치하는 것을 볼 수 있다. Table 4는 T300/5208 시편에 대한 응력 예측 결과를 종합하여 보인 것인데 제안된 예측식을 사용할 경우 최대 5.
파손 메커니즘이 유사한 재료인 경우 제안된 방법을 사용하면, 원공이 없는 적층판의 인장강도와 재료의 기본 물성치만 주어지면 특성길이와 응력분포 및 파손하중을 간단히 구할 수 있게 된다. 제안된 식은 T300/5208뿐만 아니라 재료상수와 형상이 다른 USN₁₂5 복합재 적층판의 파손하중을 최대 8%, 평균 4.2%의 오차로 매우 정확하게 예측함을 확인하였다. 따라서 본 연구의 결과를 이용할 경우 유한요소해석과 원공이 있는 탄소/에폭시 적층판에 대한 시험 없이 쉽고 정확하게 구조설계를 위한 허용하중을 계산할 수 있을 것으로 판단된다.
또한 예측식 속에 재료의 효과를 변수로 고려하기 때문에 파손 메커니즘이 유사할 경우 재료가 달라질 경우에도 별도의 시험 없이 특성길이와 인장강도 틀 예측할 수 있게 된다. 제안된 응력분포식 및 특성 길 이식의 타당성은 T300/5205 탄소/에폭시에 대한 기존 결과와 USN₁₂5 탄소/에폭시에 대한 시험을 통해 확인하였다.
1 mm로 변했음에도 불구하고 인장강도 예측값과 시험값의 차이는 최대 8% 이내이고, 평균 약 4% 정도에 불과함을 알 수 있다. 참고문헌 [10]에서 유한요소해석을 통하여 특성길이를 구하여 이를 바탕으로 인장강도를 예측한 경우에도 단일재료에 대해 최대 10.8%, 평균 3.2%의 오차를 보이는 것을 고려할 때 제안된 특성길이 및 응력분포 예측식은 매우 정확한 결과를 주는 것으로 판단할 수 있다.

후속연구

초기 특성길이 개념은 원공주위의 기하학적 형상에 관계없이 일정한 값을 가지는 것으로 알려졌다. 하지만 후속연구μ이를 통하여 특성길이가 기하학 인형상에 따라 변한다는 사실이 밝혀졌고, 지금까지도 복합재료 물성에 따른 특성길이의 차이는 특성길이 방법을 확대하여 적용하는데 장애가 되고 있다. 또한 물성이나 기하학적 차이를 고려하지 않더라도 특성길이 방법을 이용하기 위해서는 반드시 유한요소해석이 필요하다는 제약이 있었다.

참고문헌 (15)

황운봉, "해외 기술동향-보잉 7E7 항공기의 복합재료 사용 계획," 한국복합재료학회지, 제16권, 제3호, 2003, pp. 90-93.
서상묵, "항공기 복합재료 개발 현황 및 동향," 한국복합재료학회지, 제15권, 제6호, 2002, pp. 50-58.
J. M. Whitney and R. J. Nuismer., "Stress Fracture Criteria for Laminated Composites Containing Stress Concentration," Journal of Composite Materials, Vol. 10, 1974, pp. 253-265.
F. K. Chang and R. A. Scott, "Strength of Mechanically Fastened Composite Joints," Journal of Composite Materials, Vol. 16, 1982, p. 470-494.

상세보기
S. E. Yamada and C. T. Sun, "'Analysis of Laminate Strength and Its Distribution," Journal of Composite Materials, Vol. 12, 1978, pp. 275-284.

상세보기
F. K. Chang, "The Effect of Pin Load Distribution on the strength of Pin Loaded Holes in Laminated Composites," Journal of Composite Materials, Vol. 20, 1986, pp. 401-407.

상세보기
C. S. Hong, " Stress around Pin-Loaded in Finite Orthotropic Laminates," Trans. JSCM, Vol. 6, 1980, pp. 50-55.
J. H. Kweon, S. Y. Shin and J. H. Choi, "A Two-Dimensional Progressive Failure Analysis of Pinned Joints in Unidirectional-Fabric Laminated Composites," Journal of Composite Materials, Vol. 41 , No. 17, 2007. 9, pp. 2083-2104.

상세보기
J. H. Kweon, H. S. Ahn and J. H. Choi, "A New Method to Determine the Characteristic Lengths of Composite Joints without Testing," Composite Structures, Vol. 66, No. 1-4, 2004, pp. 305-315.

상세보기
안현수 외 5인, "일방향-평직 복합재 혼합 적층판 체결부의 강도 연구," 한국항공우주학회지, 제31권, 제1호, 2003, pp. 25-33.
Lockheed Document, Composites Design Data for T300/5208 Tape, $277{^{\circ}F}$ Wet Group 1 Data.
Lockheed Document, Composites Design Data for T300/5208 Tape, -65 Dry, 75 Dry, 265 Wet Group 3 Data.
A Baker, S. Dutton, D. Kelly, Composite Materials for Aircraft Structures 2nd Ed., AIAA.
H. A. Whitworth, O. Aluko, N. A. Tomlinson "Application of the point stress criterion to the failure of composite pinned joints," Journal of Engineering Fracture Mechanics, Vol. 75, 2008, pp. 1829-1839.

상세보기
MSC. Nastran Users Guide.

저자의 다른 논문 :

LOADING...

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
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증