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문제 정의
- 본 연구는 기존 연구[13]의 연속으로, Z-피닝 패치를 사용하여 제작된 단일-겹침 전단 접합 시편에 대하여 반복하중에 의한 피로시험을 수행하고 반복하중에 대한 접합강도의 향상을 점검한 것이다.
제안 방법
- 2와 같은 ’Z-피닝 패치를 사용한 복합재 Z-피닝 구조물 제작 개념‘를 제안하였고, 이 개념을 적용하여 단일-겹침 전단 접합(single-lap shear joint) 시편을 제작하고 인장 정적시험을 수행하여 접합강도의 향상을 점검하였다[13]. 1차 시험 연구에서는 0.3mm 직경의 스테인레스강 핀을 사용하였으며, 2차 시험 연구에서는 0.5mm 직경의 스테인레스강 핀을 사용하였는데, 복합재와의 결합력을 향상시키기 위하여 핀의 표면을 요철형상으로 가공하였고, 화학적으로 부식처리를 하였다. (스테인레스강 핀을 요철형상으로 가공하면, 복합재와의 결합력이 수직 방향의 인발 시험의 경우에 약 10배로 향상되었으며, 화학적 부식 처리의 효과는 약 20% 향상으로 나타났다.
- Z-피닝 패치 개념을 적용하여 단일-겹침 전단 접합 시편을 제작하고 피로시험을 수행하였다. 일부 부족한 시험 데이터는 전체적인 경향을 바탕으로 추정하였으며, 106 사이클 수를 기준으로, 2.
- 9%인 Z-피닝 구조물의 경우에는 핀 삽입시 핀 주변의 강화섬유의 밀도가 매우 높아지기 때문에 성형압력만으로는 핀의 삽입이 원활하지 않았다. 본 연구에서는 성형시 패치 상부에 패치보다 약 3배 정도 넓은 판을 둠으로써, 성형압력보다 약 3배 정도 큰 하중이 패치에 작용하도록 하여 패치의 Z-핀들이 쉽게 삽입될 수 있도록 조치하였다.
- 그런데 어떤 크기의 반복하중을 부가하여야 106 사이클에 도달하게 되는지 시험 수행 전에는 알 수가 없다. 본 연구에서는 우선 평균 정적강도의 48%, 36%, 24%의 크기로 반복하중 값을 설정하고 피로시험을 수행하였다.
- 접합부 두께, 핀의 배열 및 하중 조건 별로 각 4개의 시편에 대하여 시험을 수행하였으며, 시험이 수행된 전체 시편의 수는 72개이다. 시험 수행 일정을 단축하기 위하여 최대 106 사이클까지 반복하중을 부가하고, 파손이 발생하지 않더라도 시험을 종료하였다.
- 5mm이며 재질은 스테인레스 강선으로 규격 번호는 STS304-H3/4이다. 앞 장에서 언급한 바와 같이 복합재와의 결합력을 향상시키기 위하여 핀의 표면을 요철형상으로 가공하였으며, 이전 연구에서와 같은 방법으로 화학적으로 부식처리를 하였다.
- 저자의 이전 연구[13]에서 수행된 정적시험 결과, 핀의 배열이 2mm 간격이고 접합부 두께가 6mm 및 8mm인 경우에 평균 파손하중은 각각 2,027kg 및 2,505kg이었다. 이 값들에 48%, 36%, 24%를 적용하여 Table 1에서 보는 바와 같이 반복하중의 크기를 결정하였다. 반복하중의 응력비는 0이다.
- 먼저, Z-핀이 없는 경우에, 정적강도의 48%, 36%, 24%의 크기로 반복하중을 부가하였을 때 12개 모든 시편이 106 사이클 수에 도달하기 전에 파손이 발생하였다. 이 결과들은 실선으로 도시되었으며, 이 실선의 경향을 바탕으로 106 사이클 수를 넘어가는 선을 점선으로 추정하여 도시하였다. 이 때 106 사이클 수에 해당하는 반복하중의 크기는 약 320kgf 정도인 것으로 추정되었다.
- 항공기 구조의 경우에 피로강도를 규정하기 위하여 통상적으로 106 사이클 수를 기준으로 피로시험을 수행한다. 그런데 어떤 크기의 반복하중을 부가하여야 106 사이클에 도달하게 되는지 시험 수행 전에는 알 수가 없다.
대상 데이터
- 이전 연구[13]에서와 같은 방법으로 Z-피닝 패치를 제작하였다. 사용된 Z-핀은 직경이 0.5mm이며 재질은 스테인레스 강선으로 규격 번호는 STS304-H3/4이다. 앞 장에서 언급한 바와 같이 복합재와의 결합력을 향상시키기 위하여 핀의 표면을 요철형상으로 가공하였으며, 이전 연구에서와 같은 방법으로 화학적으로 부식처리를 하였다.
- Figure 4는 제작된 단일-겹침 전단 접합 시편의 크기를 보여주고 있다. 시편의 제작에 사용된 복합재 프리프레그는 SK케미칼(주)의 USN-125B이며, 시편의 겹쳐진 부위의 두께가 6mm, 8mm인 경우에 대하여 적층순서는 각각 [[0/-45/90/45/02/-45/02/90/02/45/0]S]S와 [[0/-45/90/45/02/-45/02/45/02/90/0/-45/0/45/0]S]S이다. 이 적층 순서는 시편 자체의 인장강도를 최대한 높이기 위하여 고안되었다.
- 반복하중의 응력비는 0이다. 접합부 두께, 핀의 배열 및 하중 조건 별로 각 4개의 시편에 대하여 시험을 수행하였으며, 시험이 수행된 전체 시편의 수는 72개이다. 시험 수행 일정을 단축하기 위하여 최대 106 사이클까지 반복하중을 부가하고, 파손이 발생하지 않더라도 시험을 종료하였다.
성능/효과
- Z-피닝 구조물의 피로강도의 향상을 위해서는 Z-핀과 복합재와의 결합력을 증가시켜서 Z-핀이 복합재 모재로부터 쉽게 이탈되지 않도록 하기 위한, 즉, 요철 형상의 가공 등이 매우 중요하며, 또한 이와 더불어 Z-피닝 접합부에 가해지는 전단 하중 등에 대하여 Z-핀이 충분히 버틸 수 있도록, 즉, 핀 자체의 강도가 큰 값을 갖도록 Z-핀을 설계 제작하여야 한다는 것을 알 수 있었다.
- 결과적으로 6mm 접합부 두께를 갖는 Z-피닝 시편의 경우에 3mm 간격으로 Z-피닝을 하면 피로 강도는 약 72%가 향상되었고, 2mm 간격으로 Z-피닝을 하면 피로강도가 약 125%만큼 향상된다고 추정할 수 있었다.
- 결과적으로 상기의 추정 선도를 바탕으로 8mm 접합부 두께를 갖는 Z-피닝 시편의 경우에 3mm 간격으로 Z-피닝을 하면 피로 강도는 약 48%가 향상되고, 2mm 간격으로 Z-피닝을 하면 피로강도가 약 98% 향상된다고 추정할 수 있었다.
- 다음으로, 2mm 간격으로 Z-피닝된 시편의 경우에는 정적강도의 48%의 크기로 반복하중이 부가된 경우에는 4개 모든 시편이 106 사이클 수에 도달하기 전에 파손이 발생하였지만, 정적강도의 36%인 경우에는 3개의 시편만이 파손되었고, 한개의 시편은 106 사이클 수를 상당히 초과한 상태에서도 파손이 발생하지 않았다. 그리고 정적 강도의 24%인 경우에는 모든 시편이 106 사이클 수에 도달하여도 전혀 파손되지 않았다.
- 다음으로, 2mm 간격으로 Z-피닝된 시편의 경우에는 정적강도의 48%의 크기로 반복하중이 부가된 경우에는 4개 모든 시편이 106 사이클 수에 도달하기 전에 파손이 발생하였지만, 정적강도의 36%인 경우에는 3개의 시편만이 파손되었고, 한개의 시편은 파손되지 않은 상태에서 다른 시편들에 비하여 사이클 수가 너무 커져서 시편이 파손되지 않은 상태에서 시험을 종료하였다. 그리고 정적강도의 24%인 경우에는 모든 시편이 106 사이클 수에 도달하여도 전혀 파손되지 않았다.
- 다음으로, 3mm 간격으로 Z-피닝된 시편의 경우에는 정적강도의 48%, 36%의 크기로 반복하중이 부가된 경우에는 8개 모든 시편이 106 사이클 수에 도달하기 전에 파손이 발생하였지만, 정적 강도의 24%의 크기로 반복하중이 부가된 경우에는 4개 모든 시편이 106 사이클 수에 도달하여도 파손되지 않았다. 따라서 다른 실선들의 경향을 참고하여 점선과 같이 106 사이클 수를 통과하는 선도를 추정하였고, 이 때의 하중의 크기는 550kgf 정도인 것으로 추정되었다.
- 다음으로, 3mm 간격으로 Z-피닝된 시편의 경우에는 정적강도의 48%, 36%의 크기로 반복하중이 부가된 경우에는 8개 모든 시편이 106 사이클 수에 도달하기 전에 파손이 발생하였지만, 정적 강도의 24%의 크기로 반복하중이 부가된 경우에는, 1개 시편은 106 사이클 수에 도달하기 전에 파손되었고, 다른 1개 시편은 106 사이클 수를 초과한 상태에서 파손되었고, 나머지 2개 시편은 106 사이클 수를 초과한 상태에서도 파손되지 않아 시험을 종료하였다. 즉, 1개 시편만이 106 사이클 수에 도달하기 전에 파손되었고 3개 시편은 106 사이클 수를 넘어갔기에 Fig.
- 그리고 정적 강도의 24%인 경우에는 모든 시편이 106 사이클 수에 도달하여도 전혀 파손되지 않았다. 따라서 다른 실선들의 경향을 참고하여 점선과 같이 106 사이클 수를 통과하는 선도를 추정하였고, 이 때의 하중의 크기는 약 720kgf 정도인 것으로 추정되었다.
- 전체적으로 시편의 파단 양태를 요약하면, 정적시험의 경우에는 핀 자체의 파손은 발생하지 않은 상태에서 핀의 이탈 및 복합재의 층간분리 또는 국부적 파손이 발생하면서 시편의 파단이 발생하였지만, 피로하중에 의한 파단은 대부분 중립면에서 복합재의 분리 파단이 발생하였으며, 동시에 핀의 이탈 및 핀 자체의 파손이 발생하였다. 따라서 복합재 Z-피닝 구조물의 피로강도의 향상을 위해서는, Z-핀의 이탈을 방지하기 위하여 요철 형상의 가공 등에 대한 연구뿐만 아니라, Z-핀 자체의 파손 강도를 증가시키기 위한 연구가 중요하다는 것을 파악할 수 있었다.
- 즉, 복합재 구조물의 단위 체적 내에 삽입된 Z-핀이 차지하는 체적비가 얼마인가 하는 것이 Z-피닝 구조물의 성능을 평가하는 기준 변수로 주로 활용되고 있다. 본 연구에서 0.5mm 직경의 핀이 3mm 간격으로 배열된 경우에는 핀의 체적 밀도가 2.2%이고, 2mm로 배열된 경우에는 4.9%인 것으로 계산되었다. 단, 핀의 표면의 요철 형상으로 인한 작은 차이는 무시하였다.
- Z-피닝 패치 개념을 적용하여 단일-겹침 전단 접합 시편을 제작하고 피로시험을 수행하였다. 일부 부족한 시험 데이터는 전체적인 경향을 바탕으로 추정하였으며, 106 사이클 수를 기준으로, 2.2% 및 4.9% Z-핀 밀도를 갖는 경우에 피로강도는 각각 약 48~72% 및 98~125% 향상되었다.
- 전체적으로 시편의 파단 양태를 요약하면, 정적시험의 경우에는 핀 자체의 파손은 발생하지 않은 상태에서 핀의 이탈 및 복합재의 층간분리 또는 국부적 파손이 발생하면서 시편의 파단이 발생하였지만, 피로하중에 의한 파단은 대부분 중립면에서 복합재의 분리 파단이 발생하였으며, 동시에 핀의 이탈 및 핀 자체의 파손이 발생하였다. 따라서 복합재 Z-피닝 구조물의 피로강도의 향상을 위해서는, Z-핀의 이탈을 방지하기 위하여 요철 형상의 가공 등에 대한 연구뿐만 아니라, Z-핀 자체의 파손 강도를 증가시키기 위한 연구가 중요하다는 것을 파악할 수 있었다.
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