[논문]접착이음의 계면덧살에 대한 응력특이성 해석

정남용; 박철희

doi:10.7735/ksmte.2012.21.3.439

[국내논문] 접착이음의 계면덧살에 대한 응력특이성 해석
Analysis of Stress Singularity for the Excess Adhesive of Interface in Adhesively Bonded Joint 원문보기

한국생산제조시스템학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, v.21 no.3, 2012년, pp.439 - 445

정남용 (숭실대학교 기계공학과) , 박철희 (인천대학교(제물포 캠퍼스))

Abstract ▼ AI-Helper

The stress singularity for the excess adhesive on interface of adhesively bonded joint was investigated by using the 2-dimensional elastic boundary element method (BEM). To establish a reasonable strength evaluation method and a fracture criterion for the excess adhesive of interface in adhesively bonded joint, it is necessary to evaluate fracture parameters with various bonding conditions. Under the variations of adhesively bonded thickness (h) and diameter (d) for the excess adhesive, a stress analysis was performed, and from the results, the stress singularity index (${\lambda}$) and the stress singularity factor (${\Gamma}$) were calculated. The variations have a great influences on the stress singularity for the excess adhesive of interface in adhesively bonded joint, and the ${\Gamma}$ is reduced as the "h" and "d" increase.

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AI 본문요약
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제안 방법

따라서, 본 연구에서는 기계구조용 탄소강(SM 45C)과 에폭시(Epoxy)재료간에 접착층이 없는 SM 45C/Epoxy 접합이음과 접착층이 있는 SM 45C/Epoxy/SM 45C 접착이음의 계면모델을 설정하고, SM 45C/Epoxy/SM 45C의 계면모델의 경우 접착층의 두께변화, 에폭시접착제의 과잉에 의한 접착덧살(excess adhesive)의 형상변화를 고려한 각각의 계면모델에 대해 경계 요소법(Boundary Element Method: BEM)을 이용한 응력해석을 수행하였다. 또한, 그 결과를 토대로 접착계면에 대한 응력특이성계수를 계산한 후 이들의 상호 관계를 비교･검토하였다.
따라서, 본 연구에서는 기계구조용 탄소강(SM 45C)과 에폭시(Epoxy)재료간에 접착층이 없는 SM 45C/Epoxy 접합이음과 접착층이 있는 SM 45C/Epoxy/SM 45C 접착이음의 계면모델을 설정하고, SM 45C/Epoxy/SM 45C의 계면모델의 경우 접착층의 두께변화, 에폭시접착제의 과잉에 의한 접착덧살(excess adhesive)의 형상변화를 고려한 각각의 계면모델에 대해 경계 요소법(Boundary Element Method: BEM)을 이용한 응력해석을 수행하였다. 또한, 그 결과를 토대로 접착계면에 대한 응력특이성계수를 계산한 후 이들의 상호 관계를 비교･검토하였다.
1(b)는 에폭시를 접착제로 하여 SM 45C를 접착한 경우 접착제가 계면단에 흘러나와 생성된 덧살을 제거하고, 접착층만 있는 SM 45C/Epoxy/SM 45C 해석모델이다. 여기서, L은 접착체의 길이, W는 접착체의 폭, h는 접착층의 두께이며, 접착계면의 응력특이성을 파악하기 위해 h=0.1, 0.2, 0.3mm로 변화시켜 해석하였다. 또한, Fig.
1(c)에서 a는 덧살의 반지름이고 d=2a는 지름을 나타낸다. 실제 접착이음에서 생성되는 덧살의 크기를 고려하여 접착층 두께 h=0.1mm인 상태에서 덧살지름 d=0.15, 0.2, 0.25mm로 변화시켜가며 수치해석를 수행하였다. 접착계면에 대한 응력해석은 Kelvin의 기본해를 이용한 경계 요소법 탄성해석을 실시하였다.
접착계면에 대한 응력해석은 Kelvin의 기본해를 이용한 경계 요소법 탄성해석을 실시하였다. 해석의 정밀도를 높이기 위해 전체 해석모델의 계면단을 서브(sub)요소로 분할하여 평면변형률 상태에서 해석하였다. 접착층이 없는 SM 45C/Epoxy의 이종접합의 경우 영역수 2개, 전체 요소분할수는 148개로 하고 덧살 없이 접착층만 있는 SM 45C/Epoxy/SM 45C 접착이음의 경우 영역수 3개, 전체 요소분할수 244개이며, 덧살이 있는 SM 45C/Epoxy/SM 45C의 경우 영역수 3개, 전체 요소분할수는 276개로 하였다.
실제 수치해석이 수행된 접착층 두께 h와 원형덧살 반지름 a의 치수는 매우 작아 전체적인 요소분할 형상을 육안으로 쉽게 확인하기 곤란하므로 Fig. 2는 h와 a의 치수를 확대 하여 나타낸 후 BEM 해석을 수행하였다.
본 연구에서는 응력특성방정식을 프로그램으로 작성하여 응력특이성지수 λ를 계산하였고, 또한, BEM 응력해석 결과를 이용하여 λ를 계산하는 방법을 제시하였다.
8, 9에 나타내었다. 접착층 두께 h=0.1 mm이면서 덧살이 없는 d=0인 경우와 동일한 h=0.1mm에서 원형덧살의 지름 d=0.15, 0.2, 0.25mm로 생성된 경우 응력을 해석하여 비교하였다.
접착층이 있는 SM 45C/Epoxy/SM 45C의 경우 SM 45C/Epoxy 이종계면과 조합특성이 같으므로 본 연구에서는 SM 45C/Epoxy의 응력특이성지수 λ를 그대로 적용하여 응력특이성계수를 계산하였다.
(1) 접착층이 없는 SM 45C/Epoxy의 경우와 이종계면의 조합 특성이 같은 접착이음 SM 45C/Epoxy/SM 45C에 대한 BEM 응력해석 결과로부터 응력특이성지수 λ를 계산하고, 응력특이성계수 Γ를 구하는 방법을 제시하였다.
SM 45C/Epoxy 접합계면과 Epoxy를 접착제로 하여 SM 45C/Epoxy/SM 45C 접착계면에 대해 접착층 두께 h와 덧살지름 d를 변화시켜 BEM 응력해석을 수행한 후 그 결과로부터 응력특이성을 해석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

이론/모형

25mm로 변화시켜가며 수치해석를 수행하였다. 접착계면에 대한 응력해석은 Kelvin의 기본해를 이용한 경계 요소법 탄성해석을 실시하였다. 해석의 정밀도를 높이기 위해 전체 해석모델의 계면단을 서브(sub)요소로 분할하여 평면변형률 상태에서 해석하였다.

성능/효과

수직응력은 접착층의 두께 h가 증가할 수록 감소하지만, 전단응력은 반대로 증가하는 것으로 나타났다. 또한, 계면단에 대한 응력분포는 크게 나타났고, 접착층 두께 h의 변화에 관계없이 대칭으로 나타난다.
접착층이 없는 h=0인 SM 45C/Epoxy 계면이 접착층 두께 h=0.1, 0.2, 0.3mm를 갖는 SM 45C/Epoxy/SM 45C 계면의 경우보다 수직응력과 전단응력이 크게 나타났다.
수직응력과 전단응력 모두가 접착층이 없는 SM 45C/Epoxy 계면의 응력분포가 가장 크게 나타났고, 접착층 두께 h와 원형 덧살 지름 d가 있는 경우가 응력이 가장 작은 것으로 나타났다. 결국, 이종계면과 조합특성이 같은 재료들이 접합된 접착이음의 경우 임의의 접착층 두께 h와 계면단의 덧살지름 d의 치수 변화는 응력집중에 영향을 주며, h와 d가 증가할수록 응력집중은 감소하는 것으로 나타났다.
수직응력과 전단응력 모두가 접착층이 없는 SM 45C/Epoxy 계면의 응력분포가 가장 크게 나타났고, 접착층 두께 h와 원형 덧살 지름 d가 있는 경우가 응력이 가장 작은 것으로 나타났다. 결국, 이종계면과 조합특성이 같은 재료들이 접합된 접착이음의 경우 임의의 접착층 두께 h와 계면단의 덧살지름 d의 치수 변화는 응력집중에 영향을 주며, h와 d가 증가할수록 응력집중은 감소하는 것으로 나타났다.
(2) SM 45C/Epoxy의 이종계면과 조합특성이 같은 SM 45C/Epoxy/SM 45C 접착계면에 대한 응력특이성계수는 접착층의 유무, 접착층 두께 및 접착덧살의 형상변화에 큰 영향을 받는다.
(3) 접착덧살이 없는 SM 45C/Epoxy/SM 45C 접착이음의 계면단에 대한 응력특이성계수는 접착층 두께 h가 증가할수록 감소 한다.
(4) SM 45C/Epoxy/SM 45C 접착부재의 계면단에 덧살이 있는 경우 덧살의 크기가 증가할수록 응력특이성계수는 감소한다.
(5) SM 45C/Epoxy 접합계면단의 전응력특이성계수 Γ는 SM 45C/Epoxy/SM 45C 접착계면단의 응력특이성계수보다 크게 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	접착은 어디에 사용되는가	구조접착은 신소재의 새로운 결합기술의 발전과 경량화 및 합리적인 구조설계를 위하여 금속과 비금속재료, 복합재료, 또는 고분자재료 등의 동시접착에 사용되고 있다. 접착은 비 용접성 이종재료의 결합법으로서 자동차, 우주선, 선박, 반도체, 의료기기 등에 이르기까지 각종 산업분야에 폭넓게 사용되고 있기 때문에 이에 대한 강도평가 방법의 확립이 절실히 요구되고 있다(1~4). 접착구조물의 계면은 재료특성이 다른 이종재료간의 접착이 되므로 재료들의 물성치 차이, 접착층의 형상변화와 열응력에 의해 계면단(interface edge)에서는 응력특이성이 발생한다(5,6).
	접착이란 무엇인가	구조접착은 신소재의 새로운 결합기술의 발전과 경량화 및 합리적인 구조설계를 위하여 금속과 비금속재료, 복합재료, 또는 고분자재료 등의 동시접착에 사용되고 있다. 접착은 비 용접성 이종재료의 결합법으로서 자동차, 우주선, 선박, 반도체, 의료기기 등에 이르기까지 각종 산업분야에 폭넓게 사용되고 있기 때문에 이에 대한 강도평가 방법의 확립이 절실히 요구되고 있다(1~4). 접착구조물의 계면은 재료특성이 다른 이종재료간의 접착이 되므로 재료들의 물성치 차이, 접착층의 형상변화와 열응력에 의해 계면단(interface edge)에서는 응력특이성이 발생한다(5,6).
	접착구조물에 응력특이성이 발생하면 어떠한 문제가 생기는가	접착구조물의 계면은 재료특성이 다른 이종재료간의 접착이 되므로 재료들의 물성치 차이, 접착층의 형상변화와 열응력에 의해 계면단(interface edge)에서는 응력특이성이 발생한다(5,6). 이와 같은 응력특이점은 재료의 강도를 저하시키는 원인이 되어 계면균열(interface crack)을 발생시켜 결국, 파괴를 초래한다(7~9). 접착제를 이용하는 접착이음의 경우 계면단에는 과잉으로 흘러나온 접착제에 의해 덧살이 생성되고 접착 완성 후 실제 사용 시 덧살을 제거하는 경우와 그대로 사용할 때가 있다.

참고문헌 (14)

Yuuki, R., and Xu, J. Q., 1992, "Stress Based Criterion for an Interface Crack Kinking out of the Interface in Dissimilar Materials," Eng. Frac. Mech., Vol. 41, No. 5, pp. 635-644.

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Yang, Y. Y., Munz, D., and Sckuhr, M. A., 1997, "Evaluation of the Plastic Zone an Elastic-Plastic Dissmilar Materials Joint," Eng. Frac. Mech., Vol. 56, No. 5, pp. 691-710.

상세보기
Chung, N. Y., Yuuki, R., Ishikawa, H., and Nakano, S., 1992, "Evaluation of Fracture Toughness by Energy Release Rate for Interface Crack in Adhensively Bonded Joints," Transaction of the KSME, Vol. 24, No. 9, pp. 2174-2182.
Park, C. H., and Chung, N. Y., 2007, "Analyses of Stress Singularities on Bonded Interfaces in the IC Package by Using Boundary Element Method," Transaction of the KSMTE, Vol. 16, No. 6, pp. 94-102.
Paul, E. W. L., and Martin, L. D., 1999, "Stress Intensities at Interface Corner in Anistropic Bibaterials," Eng. Frac. Mech., Vol. 62, No. 4, pp. 555-575.

상세보기
Munz, D., and Yang, 1992, "Stress Singularities at the Interface in Bonded Dissimilar Materials Under Mechanical and Thermal Loading," Journal of Applied Mechanics, Vol. 59, No. 5, pp. 857-861.

상세보기
Chung, N. Y., and Park, C. H., 2009, "Analyses of Fracture Parameters and Prediction of Crack Propagation Path on Delamination in the LSI Package", Transaction of the KSMTE, Vol. 18, No. 4, pp. 401-409.
Slama, M., and Hasebe, N., 1996, "Stress Concentration Factors at an Elliptical Hole on the Interface Between Bonded Dissimilar Half-planes under Bending Moent," J. Appl. Mech., Vol. 63, No. 3, pp. 7-14.

상세보기
Sung, J. C., Liou, J. Y., and Lin, Y. Y., 1996, "Some Phenomena of Cracks Perpendicular to an Interface Between Dissimilar Orthotropic Materials," Transactions of the ASME, Vol. 63, No. 5, pp. 190-203.

상세보기
Chung, N. Y., and Park, C. H., 2006, "Establishment of Fracture Criterion on Friction Welded Dissimilar Materials," Transaction of the KSAE, Vol. 14, No. 5, pp. 164-171.
Chung, N. Y., and Song, C. H., 1996, "Prediction of Propagation Path for the Interface Crack in Bonded Dissimilar Materials," Transaction of the KSAE, Vol. 4, No. 3, pp. 112-121.
Chung, N. Y., Lee, M. D., and Kang, S. K., 2000, "Evaluation of Fracture Toughness by Energy Release Rate for Interface Crack in Adhensively Bonded Joints," Transaction of the KSME, Vol. 24, No. 9, pp. 2174-2182.
Bogy, D. B., 1975, "The Plane Solution for Jointed Dissimilar Elastic Semistrips under Tensions," J. Appl. Mech., Vol. 42, No. 2 pp. 93-98.
Dunders, J., 1969, "Discussion of Edge-Bonded Dissimilar Orthogonal Elastic Wedges under Normal and Shear Loading," J. Appl. Mech., Vol. 36, No. 3, pp. 650-652.

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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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