[국내논문]적층구성과 충돌에너지의 변화에 따른 CFRP 구조부재의 충격특성 Impact Characteristics of CFRP Structural Member according to the Variation of Stacking Condition and Impact Energy원문보기
This aims to examine experimentally the absorption behavior and strength of circular CFRP members with different stacking configurations on exposure to a separate impact velocity. In addition, considered the dynamic characteristics. Circular and square CFRP members were prepared from 8-ply unidirect...
This aims to examine experimentally the absorption behavior and strength of circular CFRP members with different stacking configurations on exposure to a separate impact velocity. In addition, considered the dynamic characteristics. Circular and square CFRP members were prepared from 8-ply unidirectional prepreg sheets stacked at different angles ($0^{\circ}/90^{\circ}$ and $90^{\circ}/0^{\circ}$, where the $0^{\circ}$ direction coincides with the axis of the member) and interface numbers (2, 4, and 6). Based on the collapse characteristics of the circular CFRP members. In this study, for the circular members, the impact energies at crosshead speeds of 5.52 m/s, 5.14 m/s, and 4.57 m/s are 611.52 J, 529.2 J, and 419.44 J (at circular members), respectively. Likewise, for the square members, the impact energies at crosshead speeds of 2.16 m/s, 1.85 m/s, and 1.67 m/s are 372.4 J, 274.4 J, and 223.44 J (at square members).
This aims to examine experimentally the absorption behavior and strength of circular CFRP members with different stacking configurations on exposure to a separate impact velocity. In addition, considered the dynamic characteristics. Circular and square CFRP members were prepared from 8-ply unidirectional prepreg sheets stacked at different angles ($0^{\circ}/90^{\circ}$ and $90^{\circ}/0^{\circ}$, where the $0^{\circ}$ direction coincides with the axis of the member) and interface numbers (2, 4, and 6). Based on the collapse characteristics of the circular CFRP members. In this study, for the circular members, the impact energies at crosshead speeds of 5.52 m/s, 5.14 m/s, and 4.57 m/s are 611.52 J, 529.2 J, and 419.44 J (at circular members), respectively. Likewise, for the square members, the impact energies at crosshead speeds of 2.16 m/s, 1.85 m/s, and 1.67 m/s are 372.4 J, 274.4 J, and 223.44 J (at square members).
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문제 정의
따라서 자동차의 설계는 안전성을 고려하면서 차체중량을 줄이기 위한 방향으로 이루어져야 한다. 따라서, 본 연구에서는 비강도, 비강성이 뛰어나며 적층배향에 따라 기계적 특성이 변화하는 이방성 재료인 CFRP 구조부재에 수직식 충격시험기를 이용하여 충격실험을 행하여 충격에너지의 변화에 따른 CFRP 적층구조부재의 충격특성 및 압궤특성에 대하여 연구하고자 한다.
특히, 적층구성의 차 즉 CFRP 구조부재의 형상(원형, 사각), 계면수 및 적층각의 차이에 따른 에너지흡수 능력과 충격속도의 크기에 따른 충격특성을 정량적으로 고찰할 수 있도록 하고자한다.
연구에서는 CFRP 구조부재가 승용차용 사이드부재에 사용될 것을 상정하여 CFRP 구조부재의 단면형상의 변화, 적층계면수의 차 및 최외각층의 변화가 충돌에너지의 변화에 따라 CFRP 부재의 충격특성에 어떠한 영향을 미치는지를 실험적으로 고찰하여 수송기계의 경량화를 위한 사이드부재로 사용 될 수 있는 설계 데이터를 얻고자 하였다.
본 연구에서는 계면수 및 형상이 다른 CFRP 구조부재가 충격하중을 받을 때 충격에너지가 변화 할 때의 충격특성을 정량적으로 평가하기 위하여 자체 제작한 수직식 공기압 충격 시험 장치를 이용하여 3단계의 충격속도 범위에서 충격 압궤실험을 행하였다.
연구에서는 계면수 및 형상이 다른 CFRP 구조부재에 다양한 충격이 가해질 때의 CFRP 구조부재의 충격특성을 고찰 하였다. 특히, 각각의 형상의 변화, 계면수의 변화에 따른 흡수에너지 및 동적특성을 정량적으로 고찰하여 경량화를 고려한 수송기계의 개발 및 설계 시 유용한 자료를 얻고자 하였다.
연구에서는 계면수 및 형상이 다른 CFRP 구조부재에 다양한 충격이 가해질 때의 CFRP 구조부재의 충격특성을 고찰 하였다. 특히, 각각의 형상의 변화, 계면수의 변화에 따른 흡수에너지 및 동적특성을 정량적으로 고찰하여 경량화를 고려한 수송기계의 개발 및 설계 시 유용한 자료를 얻고자 하였다. 얻어진 결론은 다음과 같다.
제안 방법
계면수의 변화, 적층각의 차 및 충격에너지 변화가 CFRP 구조부재의 충격특성에 어떠한 영향을 미치는가를 비교 고찰하고자 복합재료 적층판의 설계기준[11]에 의하여 본 연구에서는 인장과 전단의 coupling 방지를 위한 [+θn/-θn] 방법 및 인장과 굽힘 하중의 coupling 방지를 위한 [θn]S방식으로 적층하였으며, 여기서 n은 프리프레그시트 수이다.
따라서 한쪽 끝단에 45°의 트리거를 주어 순차적으로 압궤를 유도하여 높은 에너지 흡수특성을 갖게 하였고 시험편의 성형은 오토클레이브를 이용하여 제작하였다.
계면수 변화에 따른 충격특성을 정량적으로 평가하기 위하여 계면수를 변화(2계면, 4계면, 6계면)시켰고 최외각층의 각도를 90°, 0°로 변화시켜 가며 성형하였다.
충격에너지의 크기는 cross head의 낙하를 자동적으로 조절하는 장치를 설계 제작하여 cross head의 질량과 낙하 속도로부터 환산하였다.
충격압궤실험은 공기압 수직식 충격장치를 사용하였다. 이 장치는 공기압 가속장치를 부착한 실험 장치로서 크로스헤드를 수직하향으로 자유낙하 및 공기압을 이용하여 가속낙하 시켜 시험편에 충격을 가하는 방식으로 충격시험기의 개략도는 Fig.
본 연구에서는 충격 속도를 정확히 계측하기 위하여 Fig. 2와 같이 수직식 충격 시험 장치를 지지하는 4개의 가이드레일에 전자석으로 위치를 자동 조절하여 원하는 위치에서 크로스헤드를 낙하할 수 있도록 콘트롤러를 설계 제작하여 실험하였다.
Fig. 3 중에서 ○, △, □ 표시는 최외층 적층각이 90°인 경우이며 충격에너지의 변화에 따른 CFRP 부재의 에너지 흡수특성을 고찰하기 위하여 223.4 J, 274.4 J 및 372.4 J의 충격에너지를 가하여 실험했다.
작동은 스위치를 통하여 공기압을 주입하거나 뺄 때 자동으로 제어되기 때문에 최소한의 오차손실을 줄이기 위함이다. 충격에너지의 크기는 크로스헤드(40 kg)의 낙하속도를 계측하여 산출 하였다. 로드셀 중앙에 놓인 시험편에 작용하는 충격하중의 계산은 로드셀의 검출부인 원주의 중앙에 스트레인 게이지(KYOWA, KFG-5-120-C1-11L1M2R)를 중심으로 각각 축 방향 2매, 원주방향 2매를 대칭으로 부착하는 Full bridge 방식으로 부착하여
굽힘과 비틀림의 영향을 제거하여 구하였으며, 스트레인게이지의 저항 변화에 따른 변형률에 게이지가 부착된 검출부의 단면적과 영률을 곱하여 얻을 수 있었다.
충격압궤실험 후 측정된 하중-시간 및 변위-시간 데이터에서 시간 성분을 소거하여 얻어진 하중-변위 선도를 Fig. 3에 나타내었고 하중-변위 선도의 면적을 시험편이 흡수한 에너지로 보고 하중-변위 선도를 식 (1)과 같이 적분하여 시험편에 흡수된 에너지를 구하였다.
또한, 충격에너지의 크기는 크로스 헤드를(40 kg) 수직식 충격 시험장치의 4개의 guide rail에 위치를 고정시켜 낙하시키는 Jig를 설계 제작하여 실험 시 충격에너지 크기의 재현성을 확보하였다. 충격에너지마다의 3개 이상의 CFRP 부재에 충격실험을 행하여 데이터를 평균하여 나타냈다.
원통 CFRP 부재의 경우는 사각 CFRP 부재보다 더 많은 에너지를 흡수할 수 있어 충격에너지를 419.44 J, 529.2 J 및 611.52 J의 3단계 충격에너지를 가하여 실험하였다.
충격 속도의 크기는 원형 및 사각형CFRP 시험편의 흡수 능력을 고려하여 결정하였다. Fig.
대상 데이터
본 연구에서 사용된 CFRP 원형시험편의 치수는 내경∅30이며 사각통 시험편의 치수는 30 × 30으로 하였으며 시험편의 길이는 오일러좌굴을 일으키지 않고 실험 시 압궤가 수주기 반복하여 나타나는데 충분한 길이인 120 mm로 하였다.
CFRP (Carbon Fiber Reinforced Plastic) 시트는 한국화이바(주)에서 생산한 CU125NS 일방향 Carbon Fiber/Epoxy Resin 프리프레그 시트를 사용하였다. 실험에 사용된 시험편의 형상 및 적층방법은 Fig.
데이터처리
또한, 충격에너지의 크기는 크로스 헤드를(40 kg) 수직식 충격 시험장치의 4개의 guide rail에 위치를 고정시켜 낙하시키는 Jig를 설계 제작하여 실험 시 충격에너지 크기의 재현성을 확보하였다. 충격에너지마다의 3개 이상의 CFRP 부재에 충격실험을 행하여 데이터를 평균하여 나타냈다.
성능/효과
계면수가 2계면과 6계면 일 때, 충격에너지가 증가할수록 흡수에너지도 증가했으며 최외층 적층각이 0°일 때가 90°일 때보다 각각 2계면일 때 8.7%, 6계면일 때 3.6%정도 많은 에너지를 흡수하고 있음을 알 수 있었고 계면수가 6계면일 때는 2계면일 때 보다 최외층각도의 변화에 따른 에너지흡수의 차가 약간 작게 나타났다.
따라서 CFRP 부재의 경우, 계면수의 증가에 따라 층간 크랙을 유발 시킬 수 있는 경우의 수가 증가하여 에너지 흡수에 효과적인 것으로 나타났다. 이는 충격압궤하중을 받을 시 섬유방향이 90°일 때가 좀 더 하중에 견디는 힘이 크기 때문에 90°로 적층된 섬유의 두께가 얇아질수록 총흡수에너지 또한 낮게 나타난다고 사료된다.
또한 Fig. 8, 9로부터 최외각 0°일 때 원형부재의 경우 6계면일 때 기울기가 가장 높았다고, 최외각 90°인 경우 역시 6계면일 때의 기울기가 가장 높았으며, 사각형 CFRP 구조부재가 원형 CFRP 구조부재보다 충격에너지가 증가함에 따라 충격응력이 증가함을 알 수 있었다.
(2) 원통 CFRP 부재의 경우 사각통 CFRP 부재와 반대의 경향을 보이고 있으며, 최외층각이 90°일 때 가 0°일 때 보다 각각 5.7%, 2.7% 이상 많은 에너지를 흡수하였다.
(1) 사각통 CFRP 부재의 경우 계면수 및 최외층각의 변화에 따라 충격에너지가 변화 하였는데, 최외층각이 0°인 경우 90°일 때 보다 2계면일 때 약 8.7%, 6계면일 때 3.6%정도 많은 에너지를 흡수함을 알 수 있었다.
8, 9로부터 최외각 0°일 때 원형부재의 경우 6계면일 때 기울기가 가장 높았다고, 최외각 90°인 경우 역시 6계면일 때의 기울기가 가장 높았으며, 사각형 CFRP 구조부재가 원형 CFRP 구조부재보다 충격에너지가 증가함에 따라 충격응력이 증가함을 알 수 있었다. 충격에너지의 변화에 따른 충격응력의 변화를 정리하면, 사각형 CFRP 구조부재의 경우 최외각층에 따라서 2계면과 4계면일 때 가장 높은 충격응력의 증가를 보여주었고, 반대로 원형 시험편의 경우 최외각층에 관계없이 6계면 일 때 가장 높은 충격응력의 증가를 보여주었다.
(3) 사각형 및 원형 CFRP 부재 모두 충격에너지의 크기에 따라 충격응력이 선형적으로 증가하였으며, 정적압궤응력에 충격에너지의 변화에 따른 기울기 값을 더한 값만큼 선형적으로 증가하였다. 사각형 CFRP 부재는 계면수가 적을수록 원형 CFRP 부재는 계면수가 많을수록 큰 기울기를 나타낸다.
후속연구
향 후 더 많은 충격 실험을 통하여 충격압궤 시 시험편의 변형에 어느 정도의 흡수에너지가 소요되는지, 시험장치의 반발에너지, 마찰에너지 등의 영향은 없는지를 검토할 필요가 있다고 생각된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
자동차의 설계에서 차량전체의 전면충돌을 예측하기 전에 먼저 파악되어야 하는 것은?
따라서, 차량의 설계 단계에서는 차량전체의 전면 충돌을 예측하기 전에 사이드부재와 같이 충돌 시 에너지흡수가 크고, 간단한 구조부재에 대해서 압궤거동과 에너지흡수특성을 정확히 파악 하는 것이 중요한 문제이다[6-10].
CFRP 구조부재의 특성은?
따라서 자동차의 설계는 안전성을 고려하면서 차체중량을 줄이기 위한 방향으로 이루어져야 한다. 따라서, 본 연구에서는 비강도, 비강성이 뛰어나며 적층배향에 따라 기계적 특성이 변화하는 이방성 재료인 CFRP 구조부재에 수직식 충격시험기를 이용하여 충격실험을 행하여 충격에너지의 변화에 따른 CFRP 적층구조부재의 충격특성 및 압궤특성에 대하여 연구하고자 한다.
자동차 설계시 연비개선 및 배기가스 규제에 대한 차량의 경량화에 대해 연구가 진행되는 이유는?
자동차의 충돌에 의한 교통사고는 경사방향을 포함한 전면충돌의 경우가 측면이나 후면으로부터의 충돌에 비해 많이 발생하는 사고 형태이기 때문에 전면충돌의 안전성능에 대한 차량개발이 중요한 문제 중의 하나이다. 또한, 자동차 설계 시 탑승자들의 안전뿐만 아니라, 배기가스를 줄이려는 친환경적인 면과 연비를 향상시키며 에너지 효율을 높이려는 경제적인 면을 고려해 설계 되어야 하므로 연비개선 및 배기가스 규제에 대한 차량의 경량화에 많은 연구가 진행되고 있다[1-5].
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