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가설 설정
- 보다 상세하게 물성치 보정해석을 진행할 수도 있으나 이는 많은 시간과 비용을 소모하게 되므로 제한된 경우의 수에 대하여 해석을 수행하였고, 이 곡선은 시도된 해석 중 최선의 일치를 보인 결과이다. 물성치 보정해석에서 섬유의 부피분율은 62%, 보이드의 부피분율은 2%로 가정하였다. 또한 섬유 및 기지재료의 밀도는 물성치 보정을 하지 않고 제시된 값을 사용하였다.
제안 방법
- 물성치 보정해석에서 섬유의 부피분율은 62%, 보이드의 부피분율은 2%로 가정하였다. 또한 섬유 및 기지재료의 밀도는 물성치 보정을 하지 않고 제시된 값을 사용하였다. 해석결과 시험에 의한 접촉력의 이력곡선과 가장 좋은 일치를 보인 경우의 물성치는 다음과 같다.
- 충격 후 압축시험은 시편의 y-축을 기준으로 상하단 및 좌측이 단순지지 되어 있으며, 우측에서 압축하중이 가해지고 있다. 또한 시편의 모서리에서 7.5mm만큼 떨어진 선을 따라서 면외 방향으로 변형하지 못하도록 지그로 구속하였다. 해석에서도 이와 동일한 경계조건을 가하였다.
- 그림 3은 LS-Dyna를 솔버로 한 PFDA 과정을 도식적으로 설명한 것이다. 먼저 Genoa의 미시역학 모듈(micromechanics module)에 의해 섬유/기지의 물성치에서 복합재 적층판의 형상 및 기존의 파손정보에 따라서 강성(A,B,D)을 계산하고 이를 사용하여 LS-Dyna에서 해석이 수행된다. 해석 결과는 다시 미시역학 모듈에 의해 각각의 플라이(ply) 및 섬유/기지 레벨의 결과로 전환되며 Genoa에서 제공하는 damage control module을 이용해 파손 여부가 판정된다.
- 본 연구에서는 복합재 적층판의 저속충격해석(low velocity impact analysis)과 충격 후 압축해석(compression after impact, CAI)을 복합재 파손해석 전용 프로그램인 Genoa를 사용하여 수행하였다. 먼저 저속충격 해석을 수행한 후 시험결과의 접촉 하중과 비교하여 재료 물성치 보정을 수행하였고 최적으로 선택된 물성치를 사용하여 충격 후 압축해석을 수행하고 계산된 압축강도하중을 시험결과와 비교하였다.
- 본 연구를 통하여 Genoa를 이용한 저속 충격에 의한 복합재의 손상예측 및 충격 후 압축잔류 강도의 예측을 위해 해석절차를 구축하였다. 충격에 의한 복합재 적층판 내부의 플라이에서 손상의 진전 정도를 파악하였고 손상 모드가 역학적 관점에서 타당하게 나타남을 알 수 있었다.
- 이들은 결과적으로 적층판의 압축 잔류강도(compressive residual strength)의 감소로 나타나게 된다. 본 연구에서는 Genoa의 PFA 모듈을 사용하여 충격 후 압축해석을 수행하여 잔류강도를 계산하였다. CAI 해석 시 해석 솔버로는 Genoa가 제공하는 MHOST를 사용하였다.
- 본 연구에서는 Genoa의 PFA 및 PFDA 모듈을 이용하여 복합재 적층판의 저속충격해석 및 충격 후 압축해석을 수행하였다. 정의된 시편 형상에 대해 먼저 저속충격해석을 수행한 후 시험 결과의 접촉력과 비교하여 섬유/기지의 물성치의 보정을 수행하였고 결정된 물성치를 사용하여 충격 후 압축해석을 수행하였다.
- 본 연구에서는 복합재 적층판의 저속충격해석(low velocity impact analysis)과 충격 후 압축해석(compression after impact, CAI)을 복합재 파손해석 전용 프로그램인 Genoa를 사용하여 수행하였다. 먼저 저속충격 해석을 수행한 후 시험결과의 접촉 하중과 비교하여 재료 물성치 보정을 수행하였고 최적으로 선택된 물성치를 사용하여 충격 후 압축해석을 수행하고 계산된 압축강도하중을 시험결과와 비교하였다.
- dat)이 생성되며, 해석 옵션을 실행하면 선택한 솔버 형식에 맞는 입력파일이 생성된다. 본 연구에서는 저속충격 손상해석 시 LS-Dyna를 솔버로 선택하였다. 입력파일이 생성되면 주어진 시간 증분에 대하여 반복연산 과정을 통해 파손해석이 수행되는데, 이 과정이 PFDA 에 해당한다.
- 이 경우 시험결과와 해석결과를 비교하여 물성치를 조절(calibration) 함으로써 불확실성을 어느 정도 해결하고 주어지지 않은 물성치의 값도 구할 수 있다. 본 연구에서는 충격시험결과를 이용하여 물성치 보정을 수행하였다. 보정을 위한 연산과정은 Matlab 프로그램으로 작성하였다.
- Genoa는 경계조건이 가해진 절점의 경우 완전 파손 시 제거 여부를 선택할 수 있도록 하고 있으므로 해석자가 문제에 따라 신중히 결정하여야 한다. 본 연구의 경우 경계조건이 가해진 절점이 모두 제거되면 강체운동에 대한 구속이 사라지므로 수치적 문제가 발생하게 되지만 현재의 하중 조건 범위 내에서는 이러한 일이 발생하지 않으므로 제거 옵션을 선택하여 사용하였다. 압축하중의 경우 급격하게 진행되는 시점에서 계산의 안정화를 위해 하중을 부가하는 대신에 변위(d)를 부가하였으며, 이때 계산되는 반력은 부가된 하중과 동일하다.
- 본 연구에서는 Genoa의 PFA 및 PFDA 모듈을 이용하여 복합재 적층판의 저속충격해석 및 충격 후 압축해석을 수행하였다. 정의된 시편 형상에 대해 먼저 저속충격해석을 수행한 후 시험 결과의 접촉력과 비교하여 섬유/기지의 물성치의 보정을 수행하였고 결정된 물성치를 사용하여 충격 후 압축해석을 수행하였다. 충격해석에서 솔버로는 대표적인 explicit 솔버인 LS-Dyna를 사용하였다.
- 충격해석에서 솔버로는 대표적인 explicit 솔버인 LS-Dyna를 사용하였다. 충격 후 압축해석에서는 충격 해석에서 사용한 데이터 파일을 수정하여 읽어 들이고 하중 및 경계조건을 수정한 후 충격 손상 정보를 가지고 있는 손상 인덱스 파일을 지정하여 해석을 수행하였다. 이때 해석 솔버로는 Genoa 에서 제공하는 MHOST를 사용하였다.
- 해석 시 복합재 적층판은 쉘요소(shell element) 로 모델링 하였다. 동일 모델에 대하여 그림 6과 같이 서로 다른 상세도를 갖는 3가지의 메쉬를 정의하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 Genoa의 PFA 모듈을 사용하여 충격 후 압축해석을 수행하여 잔류강도를 계산하였다. CAI 해석 시 해석 솔버로는 Genoa가 제공하는 MHOST를 사용하였다.
- 021kg의 질량을 갖는다. 복합재 적층판은 총 두께는 3.44mm, 충격 속도는 3.93m/s 로 정의되었다.
- 본 연구에 사용된 시편의 크기는 150mm x 100mm이며, [45/0/-45/90]3s의 적층패턴을 갖고 있는 복합재 적층판이다. 그림 4는 시편의 기하학적 치수 및 시편이 치구에 올려진 형상을 보인 것이다.
- 충격 후 압축해석에서는 충격 해석에서 사용한 데이터 파일을 수정하여 읽어 들이고 하중 및 경계조건을 수정한 후 충격 손상 정보를 가지고 있는 손상 인덱스 파일을 지정하여 해석을 수행하였다. 이때 해석 솔버로는 Genoa 에서 제공하는 MHOST를 사용하였다.
- 정의된 시편 형상에 대해 먼저 저속충격해석을 수행한 후 시험 결과의 접촉력과 비교하여 섬유/기지의 물성치의 보정을 수행하였고 결정된 물성치를 사용하여 충격 후 압축해석을 수행하였다. 충격해석에서 솔버로는 대표적인 explicit 솔버인 LS-Dyna를 사용하였다. 충격 후 압축해석에서는 충격 해석에서 사용한 데이터 파일을 수정하여 읽어 들이고 하중 및 경계조건을 수정한 후 충격 손상 정보를 가지고 있는 손상 인덱스 파일을 지정하여 해석을 수행하였다.
- 따라서 해석 시 충격체를 master surface로, 적층판에서 충격체가 접촉되는 지역을 slave surface로 정의하여 접촉조건을 정의하였다. 해석 솔버로는 LS-Dyna를 사용하였다.
이론/모형
- 본 연구에서는 충격시험결과를 이용하여 물성치 보정을 수행하였다. 보정을 위한 연산과정은 Matlab 프로그램으로 작성하였다. 물성치의 보정과정은 많은 경우의 수의 조합이 필요하므로 무한정 진행하기 보다는 어느 정도 시험결과와 일치하는 결과를 얻는 수준에서 종료하였다.
성능/효과
- 본 연구를 통하여 Genoa를 이용한 저속 충격에 의한 복합재의 손상예측 및 충격 후 압축잔류 강도의 예측을 위해 해석절차를 구축하였다. 충격에 의한 복합재 적층판 내부의 플라이에서 손상의 진전 정도를 파악하였고 손상 모드가 역학적 관점에서 타당하게 나타남을 알 수 있었다. 충격 후 압축해석의 경우 최대압축잔류하중도 시험결과와 비교하여 잘 일치하는 결과를 얻었다.
- 7%에 달해 적지 않은 분포를 보였다. 특히 파손이 발생한 요소에서 기지 방향으로 파손 된 요소가 차지하는 퍼센트가 98.9%에 달해 파손이 발생한 요소는 거의 모두 최소한 한 플라이 이상 기지 방향으로 인장 파손되었음을 알 수 있었다.
- 표 1은 충격해석 결과 손상의 정도를 보여주고 있다. 표에서 보는 바와 같이 전체요소 중에서 기지 방향의 인장응력에 의해 파손이 발생한 요소가 13.6%로 가장 큰 비중을 차지하고 있으며 섬유방향의 인장 및 압축파손이 발생한 요소도 각각 5.2%와 6.7%에 달해 적지 않은 분포를 보였다. 특히 파손이 발생한 요소에서 기지 방향으로 파손 된 요소가 차지하는 퍼센트가 98.
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