[논문]알루미늄 폼 복합재료로 된 접합된 DCB 시험편의 구조 해석에 관한 연구

최해규; 김세환; 조재웅

doi:10.5762/kais.2012.13.4.1488

알루미늄 폼 복합재료로 된 접합된 DCB 시험편의 구조 해석에 관한 연구
Study on Structural Analysis of DCB Specimen Bonded with Aluminum Foam Composite 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.13 no.4, 2012년, pp.1488 - 1495

최해규 (공주대학교 대학원 기계공학과) , 김세환 (공주대학교 기계자동차공학부) , 조재웅 (공주대학교 기계자동차공학부)

초록
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본 논문에서는 알루미늄 폼 복합재료로 된 DCB(이중외팔보) 시험편의 파괴 거동을 시뮬레이션 해석하였다. 시뮬레이션 해석에 사용된 모델은 영국 공업규격과 ISO국제규격에 의거한 3D 형태로 하였다. 모델의 두께가 두꺼울수록 발생한 크랙의 길이가 길게 나타났고, 높은 하중이 발생하였다. 본 연구에서 얻어진 해석 결과를 알루미늄 폼재질로 접합된 실제 복합재 구조물에 적용시켜 파괴거동을 분석하고 그 기계적인 특성을 파악할 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the fracture behaviour of DCB(double cantilever beam) specimen with aluminum foam composite materials is analyzed by simulation. The used model is 3D configuration on the basis of British industrial standard and ISO international standard. As the thickness of model is increased, the length of propagated crack is increased and the load becomes higher. The analysis result obtained by this study can be applied at the practical composite structure bonded with aluminum foam materials. The fracture behaviour is analyzed and the mechanical property can be understood.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 접착제로 접합된 알루미늄 폼 DCB 시험편의 구조해석을 수행하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.

가설 설정

본 연구에서는 영국 공업 규격(British standard ; BS 7991)[6]과 ISO 국제규격(ISO 11343)[7]에 의거하여 알루미늄 폼 복합재료의 DCB 시험편을 3D 모델링하여 유한요소해석을 통하여 접착제인 연결부의 접착력은 접합력으로 가정하였고, 해석을 수행하였다. 3D 모델링과 해석에는 ANSYS 프로그램[8]이 사용되었다.

제안 방법

본 해석에는 알루미늄 폼 코어의 경우 기공의 크기나 분포가 불균일하기 때문에 유효등가 모델을 적용하였다. 기공의 크기를 같고 균일하게 배열되어있는 폼 재료의 모델에 밀도만 다르게 하여 단순화시킨 유효등가 모델의 해석 결과가 유사하기 때문에 유효등가 모델을 사용하여 더 효율적으로 해석을 수행하였다. 알루미늄폼 DCB 복합재료의 유한요소모델은 육면체 요소(Hexahedral Element)로 분할하였으며, 형상은 그림 2와 같다.
모델의 종류는 (a), (b), (c), (d), (e) 및 (f)의 6가지로서 좌측과 같이 측면의 폭은 25mm로 통일하였고, 우측과 같이 길이는 200mm로 통일하며, 두께는 15mm에서 40mm까지 5mm 간격으로 6가지를 모델링하였다. 또한 그림 1과 같이 하중 블록이 있는 부분의 끝으로 25mm를 띄운 시점부터 모델의 반대쪽 끝까지를 접합된 것으로 설정하여 해석을 수행하였다.
본 해석에는 알루미늄 폼 코어의 경우 기공의 크기나 분포가 불균일하기 때문에 유효등가 모델을 적용하였다. 기공의 크기를 같고 균일하게 배열되어있는 폼 재료의 모델에 밀도만 다르게 하여 단순화시킨 유효등가 모델의 해석 결과가 유사하기 때문에 유효등가 모델을 사용하여 더 효율적으로 해석을 수행하였다.
모델의 재질은 알루미늄 폼으로 Al-SAF40을 사용하였으며, 접착된 부분은 Bonded 조건을 사용하였다. 접착력은 법선응력으로서 10MPa을 적용하였고, 끊어지기 직전까지의 위쪽과 아래쪽, 두 알루미늄 폼 사이의 간격을 2mm의 값으로 설정하였다. 해석에 사용된 Al-SAF40 재료의 물성치는 표 1과 같다.

대상 데이터

모델의 재질은 알루미늄 폼으로 Al-SAF40을 사용하였으며, 접착된 부분은 Bonded 조건을 사용하였다. 접착력은 법선응력으로서 10MPa을 적용하였고, 끊어지기 직전까지의 위쪽과 아래쪽, 두 알루미늄 폼 사이의 간격을 2mm의 값으로 설정하였다.
기공의 크기를 같고 균일하게 배열되어있는 폼 재료의 모델에 밀도만 다르게 하여 단순화시킨 유효등가 모델의 해석 결과가 유사하기 때문에 유효등가 모델을 사용하여 더 효율적으로 해석을 수행하였다. 알루미늄폼 DCB 복합재료의 유한요소모델은 육면체 요소(Hexahedral Element)로 분할하였으며, 형상은 그림 2와 같다.
영국 공업 규격과 ISO 국제규격에 의거하여 알루미늄 폼 복합재료의 DCB 형태의 모델을 제작하였다. 그림 1은 해석에 사용된 모델의 도면을 보여주는 그림으로 모델 사이즈의 단위는 mm이다.

데이터처리

본 연구에서는 영국 공업 규격(British standard ; BS 7991)[6]과 ISO 국제규격(ISO 11343)[7]에 의거하여 알루미늄 폼 복합재료의 DCB 시험편을 3D 모델링하여 유한요소해석을 통하여 접착제인 연결부의 접착력은 접합력으로 가정하였고, 해석을 수행하였다. 3D 모델링과 해석에는 ANSYS 프로그램[8]이 사용되었다. 이러한 해석적 연구에서 얻어진 결과를 통하여 접착제로 접합된 알루미늄 폼 재질로 된 실제 복합재 구조물에 적용시켜 파괴거동을 분석하고 그 기계적인 특성을 파악할 수 있다.

성능/효과

1. 등가응력의 해석 결과에서는 전체적으로 탄성구간은 비슷한 양상을 보였으며, 항복점 이후로 두께가 25mm인 모델일 때, 최대 등가응력이 48.7MPa로 높게 나왔고, 두께가 20mm인 모델일 때, 최대 등가 응력이 39.8MPa로 낮게 나타났다. 두께가 작은 모델의 경우에 하중 블록 부분에서 취약한 것을 알 수 있었다.
2. 접착부위의 압력 해석 결과에서는 두께 15mm인 모델에서 가장 높은 압력을 보이다가. 20초 후에는 두께 40mm인 모델의 압력이 가장 높은 것으로 나타났다.
그림 11은 시간에 따른 변형에너지의 변화를 각각의 타입에 대하여 나타내었다. 20초 후에 두께 20mm인 모델에서 변형에너지가 103mJ로 가장 높은 것으로 나타났으며, 다른 두께의 모델에서는 거의 비슷한 값을 가지는 것을 확인하였다.
3. 접착부위의 슬라이딩 거리 해석 결과에서는 두께 20mm인 모델이 0.12mm로 가장 높은 값을 보이며, 두께 15mm인 모델이 0.11mm로 두 번째로 높은 값을 나타냈고, 나머지는 두께 25mm, 30mm, 35mm, 40mm의 모델 순서로 나타났다. 모델의 두께가 클수록 크랙이 더 많이 진행 한 것을 알 수 있다.
4. 시간에 따른 하중을 관찰한 결과 두께가 두꺼울수록 하중이 높게 나타났다. 그리고 시간에 따른 변형 에너지를 관찰한 결과 두께 20mm인 모델의 경우 시험편이 탄성한계 내에서 받은 힘이 가장 크게 나타났다고 할 수 있으며, 두께 15mm인 모델의 경우에는 소성변형을 포함하였기 때문에 변형에너지의 값이 작은 값으로 나타난 것으로 생각된다.
5. 두께가 두꺼운 모델일수록 20초의 경과 시간 동안에 발생한 크랙의 길이가 길어졌으며, 잡아당기는 하중이 더 크게 작용되는 것을 알 수 있었다.
두께 40mm인 모델이 3.8초에 5912N으로 가장 높을 값을 나타내었으며, 두께가 얇을수록 최대하중이 낮아지는 것을 알 수 있었다.
그림 10은 시간에 따른 하중의 변화를 각각의 타입에 대하여 나타내었다. 전체적으로 3초에서 5초 사이에 최대하중이 나타난 것을 확인할 수 있다.
그림 5는 각각의 모델별로 시간에 따른 최대 등가응력의 변화를 그래프를 나타낸 것이다. 전체적으로 탄성구간은 비슷한 양상을 보였으며, 항복점 이후로 두께가 25mm 인 모델일 때 최대 등가응력이 48.7MPa로 높게 나왔고, 두께가 20mm인 모델일 때 최대 등가응력이 39.8MPa로 낮게 나왔다

후속연구

6. 본 연구에서 얻어진 해석 결과를 통하여 접착제로 접합된 알루미늄 폼 재질로 된 실제 복합재 구조물에 적용시켜 파괴거동을 분석하고 그 기계적인 특성을 파악할 수 있다.
3D 모델링과 해석에는 ANSYS 프로그램[8]이 사용되었다. 이러한 해석적 연구에서 얻어진 결과를 통하여 접착제로 접합된 알루미늄 폼 재질로 된 실제 복합재 구조물에 적용시켜 파괴거동을 분석하고 그 기계적인 특성을 파악할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	폼 재료는 어디에 활용되고 있는가?	우수한 기계적 , 역적 특성 및 에너지 흡수 효과를 기대할 수 있는 폼 재료의 적용이 날로 증가하고 있는 추세이다. 아와 같은 폼 재료는 경량 구조용, 충격에너지 흡수용, 소음 및 진동 흡수용, 열전달 매개용, 대체에너지 소재용, 기타 생체재료 등 군수에서 민간 산업에 이르기까지 전 분야에서 폭넓은 활용이 가능하다[1]. 그 중에서 용융된 알루미늄에 발포제가 넣어져 내부에 기포가 형성된 알루미늄 폼은 자동차범퍼, 충격흡수재, 선박, 항공기의 내·외장재 및 건축 분야에서 그 활용이 날로 증가되고 있는 추세이다[2].
	알루미늄 폼은 어떤 분야에 활용되고 있는가?	아와 같은 폼 재료는 경량 구조용, 충격에너지 흡수용, 소음 및 진동 흡수용, 열전달 매개용, 대체에너지 소재용, 기타 생체재료 등 군수에서 민간 산업에 이르기까지 전 분야에서 폭넓은 활용이 가능하다[1]. 그 중에서 용융된 알루미늄에 발포제가 넣어져 내부에 기포가 형성된 알루미늄 폼은 자동차범퍼, 충격흡수재, 선박, 항공기의 내·외장재 및 건축 분야에서 그 활용이 날로 증가되고 있는 추세이다[2].
	에폭시 접착제와 같은 특수 접착제를 이용하여 복합재료들을 접합해 만든 접착 구조물이 충분한 강성과 강도를 가짐에도 충격으로 파손되는 이유는?	그러나 충분한 강성과 강도를 가지고 설계되었음에도 불구하고 기계 또는 접착 구조물이 충격에 의해 파손되는 것을 최근 여러 가지 사고를 통해서도 알 수 있다. 이것은 복합재료 접합면의 파단이 접착 구조물에 존재하는 이물질 또는 결함에 의해 발생된 균열과 관련이 있다[3,4]. 따라서 제조자들은 공학적인 성분과 구조물들의 접합에 있어서 종래의 접합 기술에 비하여 접착제의 이점에 대하여 고려하고 있으나, 접착제인 연결부의 접착력은 충격 하중의 조건하에서는 상당히 감소될 수 있다[5].

참고문헌 (8)

T. W. Kim, B. J. Kim, y. Kim, H. I. Kim, "Density and Geometric characteristic of aluminum foam for shock absorption performance", Journal of the Korea Society Mechanical Engineers, pp. 11-14, October, 2007.
S. O. Boang, K. S. Kim, S. H. Kim, S. G. Song, J. U. Cho, "Study on Compression test of Aluminum foam and honeycomb sandwich composites", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation society, Vol. 12, No. 9, pp. 3802-3807, September, 2011.

원문보기 상세보기
Blackman, B.R.K., Dear, J.P., Kinloch, A.J., MacGillivray, H., Wang, Y., Williams, J.G. and Yayla, P.,S. R. Ahuja, et al., "The Failure of Fibre Composites and Adhesively Bonded Fibre Composites under High Rates of Test Part III Mixed-mode I/II and Mode II Loadings", Journal of Materials Science, Vol. 31, No. 17, pp. 4467-4477, 1996.

상세보기
N. Y. Chung, S. G. Park, " Measurement of Interfacial crack length by ultrasonic attenuation coefficients on adhesively bonded components", Transactions of KSAE, Vol. 12, No. 1, pp. 130-137, January, 2004.
D. C. Ko, B. M. Kim, A. C. Taylor, "Test method of reliability for structural adhesive", Journal of the Korea society for precision engineering, pp. 1581-1582, June, 2011.
British Standard, BS 7991, "Determination of the Mode I Adhesive Fracture Energy GIC of Structure Adhesives Using the Double Cantilever Beam (DBC) and Tapered Double Cantilver Beam (TDCB) Specimens", Imperial college of sience and technology(JISC), pp. 3-13, 2001.
International Standards Organization, ISO 11343, Geneva(Switzerland), 1993.
Swanson, J., Ansys 12.0, Ansys Inc, U.S.A, 2009.

저자의 다른 논문 :

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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].

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