[논문]단섬유강화 플라스틱 복합재료 구조해석 기법연구

윤지용; 김상우; 박봉현; 이성훈; 권태헌; 김기태

doi:10.7234/kscm.2011.24.4.041

단섬유강화 플라스틱 복합재료 구조해석 기법연구
A study on structure analysis system for short fiber reinforced plastics 원문보기

복합재료 : 한국복합재료학회지 = Journal of the Korean Society for Composite Materials, v.24 no.4, 2011년, pp.41 - 47

윤지용 (현대자동차) , 김상우 (현대자동차) , 박봉현 (현대자동차) , 이성훈 (현대자동차) , 권태헌 (포항공과대학교, 기계공학과) , 김기태 (포항공과대학교, 기계공학과)

초록
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본 연구는 사출 성형 공정을 통하여 제작되는 단섬유강화 플라스틱 복합재료의 구조해석 기법에 관한 내용으로 소재의 이방성 기계물성을 예측하고 이를 구조해석에 적용하도록 하였다. 사출 성형 공정을 통하여 제작되는 단섬유강화 플라스틱 복합재료의 구조해석에 있어서 기존의 경우는 일반적으로 소재의 기계적 물성을 균질 등방성 탄성 모델로 이용하여 왔으나, 실제 부품 파손 모드와 크게 상이한 경우가 많다. 이러한 점을 극복하고자 사출 성형 g,름 해석, 일방향성 복합재료의 Halpin-Tsai 식과 배향 평균 모델을 도입하여 단섬유강화 플라스틱 복합재료의 섬유배향 효과가 고려되도록 새로운 구조해석 시스템을 개발하였다. 해석의 정확도는 시편시험 결과와의 비교를 통하여 검증하였으며, 섬유 배향 및 웰드라인 영향 및 섬유 함량에 따른 변화가 해석에 장 반영됨을 확인하였다. 또한 자동차 부품에 개발된 해석 시스템을 적용하여 균질 등방 모델과 달리 부품의 위치별로 다른 기계적 성능이 반영되고, 사출 게이트 위치에 따라 유리섬유 배향이 변화하여 부품의 성능이 달라짐을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper deals with anisotropic property and structural analysis for short fiber reinforced plastic composites manufactured by the injection molding process. The common approach for modeling this type of material is the consideration of the material as homogenous and isotropic. However, the common isotropy approach often results in unexpected failure. To overcome this, new structure analysis methodology was developed in order to consider fiber orientation effect using injection mold flow analysis and Halpin-Tsai equations for unidirectional composites and taking an orientation average. The numerical predictions are compared to experimental data for tensile specimen. The predicted mechanical properties agree well with experimental data for fiber orientation and weld line effect. The analysis system was also applied to an automobile part. The proposed anisotropic model predicted different mechanical properties by position of the part and different mechanical performance of the part was changed according to injection gate position.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

중요한 역할을 한다. 그러나 사출 성형 공정을 통해 제작되는 단섬유 플라스틱 복합재료의 일반적인 CAE 해석에서는 섬유배향의 구현이 어려운 점으로 인하여 소재의 기계적 물성으로 균질 등방성 탄성 모델을 이용하여 왔으며, 실제 부품 파손 모드와 크게 상이한 경우가 많다 본 연구에서는 이와 같은 균질 등방성 구조 해석의 한계를 보완할 수 있도록 새로운 비균질 이방성 구조 해석 시스템을 개발하였다. 사출성형해석을 통하여 사출부품의 국부적인 섬유 배향 및 이에 따른 이방성 (anisotropic) 탄성 텐서 예측하고, 성형해석 및 구조해석 데이터 연계 인터페이스 구축하여 복합재료의 물성이 구조해석에 반영되도록 하였다 또한 시편평가를 통하여 해석 시스템의 정확도를 검증하였으며, 부품 해석에 적용하여 기존의 등방성 구조해석과 개발된 해석 이방성 구조해석 결과를 비교하였다.
본 연구에서는 단섬유강화 플라스틱 복합재료가 가지는 비균질 이방성 기계적 물성을 예측하고 이를 구조 해석에 적용하는 구조해석 시스템을 통하여, 사출 성형된 단섬유 강화복합재료 자동차 부품에 대한 보다 신뢰성 있는 분석을 할 수 있었다.
톤 연구에서는 내부 섬유 배향의 이방성이 주어진 변형조건에 대한 부품 내부 하중 분포에 어떤 영향을 미치는지 확인해 보고, 등뱡성으로 가정하여 해석한 경우와 어떤 차이가 있는지 검토해 보았다. 또한 게이트의 위치 변화가 부품의 강도 향상에 실질적인 효과가 있는지 검증하기 위한 유한 요소해석을 수행하였다.

제안 방법

Fig. 2 (a)의 일반 인장시험편의 경우는 사출게이트 1개로 사출하여 사출 유동 흐름이 한방향이 되도록 제작 하였다. Fig.
이에 사출게이트 조건에 따른 웰드라인 유무에 따른 영향과 유리섬유 함량에 .따른 영향을 실제 물성과 비교하였다. 시험에 사용된 재료는 Polyamide 66 + 유리 섬유 35 wt% 와 Polyamide 66 + 유리 섬유 50 wt%로 시편을 제작하여 평가하였다' Fig.
있는지 검토해 보았다. 또한 게이트의 위치 변화가 부품의 강도 향상에 실질적인 효과가 있는지 검증하기 위한 유한 요소해석을 수행하였다.
이때 탄성 계수는 비등방 탄성 예측 결과를 이용하도록 하였다. 본 연구에서는 사출성형 해석 소프트웨어 Moldflow의 계산결과로부터 얻은 유리섬유의 배향분포를 이용하여 탄성계수를 예측하고 이를 구조해 석에 사용하였다. 구조해석 소프트웨어로는 ABAQUS 를 사용하였다
비등방성 탄성 예측 시스템의 성능을 검증을 위하여 인장 시편 시험을 실행하였다. 시편의 사출조건은 Fig.
그러나 사출 성형 공정을 통해 제작되는 단섬유 플라스틱 복합재료의 일반적인 CAE 해석에서는 섬유배향의 구현이 어려운 점으로 인하여 소재의 기계적 물성으로 균질 등방성 탄성 모델을 이용하여 왔으며, 실제 부품 파손 모드와 크게 상이한 경우가 많다 본 연구에서는 이와 같은 균질 등방성 구조 해석의 한계를 보완할 수 있도록 새로운 비균질 이방성 구조 해석 시스템을 개발하였다. 사출성형해석을 통하여 사출부품의 국부적인 섬유 배향 및 이에 따른 이방성 (anisotropic) 탄성 텐서 예측하고, 성형해석 및 구조해석 데이터 연계 인터페이스 구축하여 복합재료의 물성이 구조해석에 반영되도록 하였다 또한 시편평가를 통하여 해석 시스템의 정확도를 검증하였으며, 부품 해석에 적용하여 기존의 등방성 구조해석과 개발된 해석 이방성 구조해석 결과를 비교하였다.
각각 따로 계산되도록 한다. 이때 탄성 계수는 비등방 탄성 예측 결과를 이용하도록 하였다. 본 연구에서는 사출성형 해석 소프트웨어 Moldflow의 계산결과로부터 얻은 유리섬유의 배향분포를 이용하여 탄성계수를 예측하고 이를 구조해 석에 사용하였다.

대상 데이터

개발된 해석 시스템을 실제 자동차 부품의 해석에 적용해 모았다부푬에 사용된 재료는 Pyamide 66 + 유리 섬유 35 wt% 이며, 부품의 형상 및 경계조건은 Fig. 7와 같다.
3은 사출게이트가 1개인 웰드라인이 존재하지 않는 인장 시험편의 인장 거동 후의 축방향 변형률과 응-력 해석 결과이다. 소재는 Polyamide 66 + 유리 섬유 35 wt%> 적용하였다. Fig.

데이터처리

인장시편의 물성시험 결과와 해석결과를 비교하였다. 이에 사출게이트 조건에 따른 웰드라인 유무에 따른 영향과 유리섬유 함량에 .

이론/모형

본 연구에서는 사출성형 해석 소프트웨어 Moldflow의 계산결과로부터 얻은 유리섬유의 배향분포를 이용하여 탄성계수를 예측하고 이를 구조해 석에 사용하였다. 구조해석 소프트웨어로는 ABAQUS 를 사용하였다
이에 대하여 미시역학 모델들을 근사하여 표현할 수 있는 Halpin-Tsai 식을 이용하도록 하며, 이에 따라 상수#를 구할 수 있다. 이때 Halpin-Tsai 식은 아래 세 식으로 표현된다.

성능/효과

또한, Fig. 10 (b) 게이트 1일 때 실린더 외경부 웰드라인 부위의 z방향 강성이 낮으나 게이트 2는 강성이 높아진 것을 확인할 수 있다.
즉, 실린더 내부의 압축 하중으로 인하여 실린더 외부에 인장력이 발생하고 되고, 이것이 실린더 외경에 균열을 발생시키는 원인이 된다. z 방향 최대 변형률 예측 결과를 비교해보면 게이트 1의 이방성 모델은 등방성 모델보다 약 10% 정도 높은 변형률을 보이는데, 이러한 높은 인장 변형률은 균열을 쉽게 발생시킬 수 있다. 그러나 두 번째 게이트 위치의 이방성 모델 (Fig.
개발된 해석 시스템은 섬유배향에 따른 기계적 물성 변화와 웰드라인 발생 시에 발생하는 물성저하를 구현함을 확인하였다. 이때 인장시편 물성시험 결과와의 오차율은 평균 13% 수준을 나타내었다.
부품혜석에 있어서 일반적인 균질 등방 해석방법과 비교할 때 개발된 해석 시스템은 게이트 의 위치에 따른 섬유배향의 효과 및 그 물성을 구조해석에서 구현 할 수 있으며, ri에 따라 부품의 성능이 달라짐을 예측할 수 있었다. 즉, 개발된 해석 시스템을 통해 사출성형으로 제작되는 단섬유 강화 플라스틱 복합재료 부품의 성능 예측의 정확성 향상이 가능함을 확인하였다.
또한 유리섬유 함량에 따른 물성 변화도 구현 가능했다. 유리섬유 함량에 따른 물성시험 결과에서는 유리섬유의 함량이 적을수록 해석결과가 정확하였다.
즉, 개발된 해석 시스템을 통해 사출성형으로 제작되는 단섬유 강화 플라스틱 복합재료 부품의 성능 예측의 정확성 향상이 가능함을 확인하였다.
해석 결과는 실제 물성시험 결과 대비 평균적으로 13% 오차를 보이며, 유리섬유 함량이 적을수록 해석결과의 오차가 줄어들고, 웰드라인이 없는 경우보다 웰드라인이 존재하는 경우 오차가 커진다. 오차가 가장 큰 경우는 유리섬유 함량이 50%의 소재로 웰드라인 구현 시편의 경우이며, 이 때시험치 대비 오차는 20.

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Abaqus v6.5,User's Manual. Abaqus Inc., Providence, RI, USA.

저자의 다른 논문 :

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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