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문제 정의
- 이러한 배경으로 본 연구는 Fig. 2에서 보는 바와 같이 보강재 본딩접합 복합재 보강판구조에서 충격손상부 가장자리 노치의 영향을 고려하여 인장-인장 피로하중 하에서 손상균열의 진전거동을 고찰하는데 연구목적이 있다.
제안 방법
- 2.1 시험방법 및 절차 파괴역학적 파라미터에 대한 적층판의 손상균열 진전거동을 얻기 위하여 손상균열 진전시험을 수행하였다. 사용 시편은 Fig.
- 복합재 보강판의 손상균열 진전수명을 평가하기 위하여 손상균열 진전에 따른 파괴역학적 파라미터 변화거동 평가가 요구되는데 본 연구에서는 응력강도계수 해석을 수행하였으며 참고문헌[12,13]에서 제시된 복소퍼텐셜 해석법을 통하여 구하였고 손상균열길이 0.125, 0.550, 0.950인치에 대하여 MSC/NASTRAN을 사용한 유한요소해석을 수행하여 결과를 비교하였다.
- 사용된 유한요소는 복소퍼텐셜 해석결과와의 비교 편의성을 위하여, 단위두께의 2차원 면요소인 CQUAD4 요소를 사용하였으며, 손상균열 주변에서의 응력변화 및 응력집중을 가능한한 정확하게 모사하기 위하여 균열부위를 조밀하게 모델링(Fine meshing)하였다.
- 그리고 이후 보강재를 가로질러 성장하면서 다시 응력강도값이 선형적으로 증가하다가 보강재의 가장자리를 벗어나면서 다시 증가율이 증대되면서 최종파단에 이르는 것으로 나타난다. 손상 균열진전률 시험결과와 응력강도해석 결과를 기초로 보강재 본딩접합 적층판구조의 균열진전 수명해석을 수행하고 복합재 보강판 구조시편의 손상허용 시험결과와 비교분석 하였다. 단계별 균열진전 측정결과로부터 해석결과와 비교 하여 시험결과가 다소 빠르게 나타났으나 노치 손상균열이 성장하여 보강재 가까이 접근하면서 해석결과에 근접하는 것으로 나타났다.
- 1의 일정진폭 반복하중으로 간주하였다. 손상균열 성장은 초기 노치균열 0.15인치로부터 균열증분을 초기에는 0.1인치, 그리고 0.2인치, 0.5인치 등으로 증가시켜 가며 해당되는 하중사이클수를 계산하도록 하였다. 다음 Fig.
- 손상균열 진전해석 결과와 비교하기 위하여 보강판 구조시편에 대한 손상균열 성장시험을 수행하였다. 다음 Fig.
- 스킨 적층판 재료시편에 대한 균열손상 진전시험 결과와 균열손상 길이에 따른 응력강도계수 계산결과로부터 보강판구조에 대한 손상균열 진전수명해석을 수행하였으며 세부적인 해석절차는 다음 Fig. 12에서 보여주고 있다. 작용응력은 보강판 구조시편 시험에 적용할 동일한 최대하중(61.
- 시험기는 MTS 8502 피로시험기로 하중제어 방식으로 수행하였으며 시험하중은 해석에 입력자료로 사용한 최대하중 61.98 kN, 하중비 R = 0.1, 하중주파수는 하중제어 오차가 3% 미만이 되도록 6 Hz로 하중을 제어하였다.
- 시험절차는 ASTM D3497/D3497M-96에 따라 수행하였으며 시편재료는 적층판 재료인 CYCOM970/PWC T300 3K ST Fabric Pre-preg로 [0/-45/90/+45/0] 5층으로 제작하였다. 시험기는 서보제어 유압식 MTS 8502 피로시험기(10 ton)로 하중제어 방식으로 수행하였다. 초기 노치부로부터 진전하는 손상균열은 50배율 CCD카메라와 화상분석시스템을 사용하여 표면균열을 PC 모니터 상에서 실시간으로 관찰하였다.
- 3과 같은 ASTM D695 규격으로 단일 모서리 가공균열은 도입하였다. 시험방법은 일정진폭 피로하중 하에서 50배율 CCD 카메라를 통하여 손상균열 진전을 실시간으로 측정하여 Paris 균열진전 모델식의 상수값을 결정하도록 하였다. 이때 진전률, da/dN은 secant method[10]로 분석하였고 응력강도계수, K 값은 다음의 Brown과 Strawley 식[11]을 적용하였다.
- 단계별 균열진전 측정결과로부터 해석결과와 비교 하여 시험결과가 다소 빠르게 나타났으나 노치 손상균열이 성장하여 보강재 가까이 접근하면서 해석결과에 근접하는 것으로 나타났다. 이러한 분석결과로부터 손상균열 길이 변화에 따라 최종파단에 대한 복합재 보강판의 잔여강도를 예측하고 손상허용성을 평가할 수 있다.
- 12에서 보여주고 있다. 작용응력은 보강판 구조시편 시험에 적용할 동일한 최대하중(61.98 kN)에 대한 응력을 입력값으로 하였으며 피로하중은 하중비 R = 0.1의 일정진폭 반복하중으로 간주하였다. 손상균열 성장은 초기 노치균열 0.
- 4에서 시험장치 셋업을 보여주고 있다. 적용한 피로하중은 적층판 인장강도의 91.7%에 해당하는 10.141 kN을 최대하중으로 하중비 R = 0.1의 일정진폭 하중, 그리고 하중 주파수(Frequency)는 주파수 영향이 없도록 충분히 낮은 5 Hz로 수행하였다.
- 하중 형태는 일정진폭의 사인 정형파로 입력하였다. 중앙 원공부 가장자리 노치 손상은 Fig. 5 적층판 시편의 노치와 동일하게 도입하였으며 노치로부터 성장하는 균열손상 길이는 50배율 CCD카메라가 장착된 travelling microscope와 화상분석시스템을 사용하여 실시간 측정하였다. 다음 Fig.
- 시험기는 서보제어 유압식 MTS 8502 피로시험기(10 ton)로 하중제어 방식으로 수행하였다. 초기 노치부로부터 진전하는 손상균열은 50배율 CCD카메라와 화상분석시스템을 사용하여 표면균열을 PC 모니터 상에서 실시간으로 관찰하였다. 다음 Fig.
대상 데이터
- 1 시험방법 및 절차 파괴역학적 파라미터에 대한 적층판의 손상균열 진전거동을 얻기 위하여 손상균열 진전시험을 수행하였다. 사용 시편은 Fig. 3과 같은 ASTM D695 규격으로 단일 모서리 가공균열은 도입하였다. 시험방법은 일정진폭 피로하중 하에서 50배율 CCD 카메라를 통하여 손상균열 진전을 실시간으로 측정하여 Paris 균열진전 모델식의 상수값을 결정하도록 하였다.
- 사용된 요소수는 총 757개, 절점수는 총 921개로 구성 되어 있으며 Fig. 9에서 유한요소모델과 Fig. 10에서 해석결과로 Von-Mises 응력분포를 보여주고 있다.
- 시험절차는 ASTM D3497/D3497M-96에 따라 수행하였으며 시편재료는 적층판 재료인 CYCOM970/PWC T300 3K ST Fabric Pre-preg로 [0/-45/90/+45/0] 5층으로 제작하였다. 시험기는 서보제어 유압식 MTS 8502 피로시험기(10 ton)로 하중제어 방식으로 수행하였다.
데이터처리
- 10에서 해석결과로 Von-Mises 응력분포를 보여주고 있다. 그리고 응력강도계수를 계산하기 위하여 균열끝단 요소는 CRACK2D 요소를 사용하여 해석을 수행하였으며 Fig. 11에서 스킨적층판 재료의 파괴인성치로 표준화한 응력강도계수값으로 복소퍼텐셜 해석법과 유한요소해석 결과를 비교하여 보여주고 있다. 여기서 보는 바와 같이 두 계산결과는 2~6%의 근사한 차이를 나타냄을 알 수 있다.
- 이때 손상균열진전률, da/dN은 log-log 스케일에서 Paris의 선형거동식으로 선도관계를 얻을 수 있었다. 충격손상으로 모델링된 초기 원공 및 노치부를 가진 복합재 보강판 구조에 대하여 손상균열진전에 따른 손상균열 선단의 응력 강도계수 변화 거동을 복소퍼텐셜 해석법 전산프로그램을 사용하여 구하였다. 그리고 MSC/NASTRAN을 사용하여 얻은 유한요소해석 결과와 비교하였으며 2~6% 정도의 근사한 차이를 나타냄에 따라 복소퍼텐셜 해법의 유효성을 확인할 수 있었다.
이론/모형
- 시험방법은 일정진폭 피로하중 하에서 50배율 CCD 카메라를 통하여 손상균열 진전을 실시간으로 측정하여 Paris 균열진전 모델식의 상수값을 결정하도록 하였다. 이때 진전률, da/dN은 secant method[10]로 분석하였고 응력강도계수, K 값은 다음의 Brown과 Strawley 식[11]을 적용하였다. 즉,
성능/효과
- 충격손상으로 모델링된 초기 원공 및 노치부를 가진 복합재 보강판 구조에 대하여 손상균열진전에 따른 손상균열 선단의 응력 강도계수 변화 거동을 복소퍼텐셜 해석법 전산프로그램을 사용하여 구하였다. 그리고 MSC/NASTRAN을 사용하여 얻은 유한요소해석 결과와 비교하였으며 2~6% 정도의 근사한 차이를 나타냄에 따라 복소퍼텐셜 해법의 유효성을 확인할 수 있었다. 손상균열진전에 따라 응력강도가 증가하나 그 증가율은 중간 보강재에 가까워지면서 보강재의 보강효과의 영향으로 점진적으로 감소하다가 손상균열 길이가 약 0.
- 손상 균열진전률 시험결과와 응력강도해석 결과를 기초로 보강재 본딩접합 적층판구조의 균열진전 수명해석을 수행하고 복합재 보강판 구조시편의 손상허용 시험결과와 비교분석 하였다. 단계별 균열진전 측정결과로부터 해석결과와 비교 하여 시험결과가 다소 빠르게 나타났으나 노치 손상균열이 성장하여 보강재 가까이 접근하면서 해석결과에 근접하는 것으로 나타났다. 이러한 분석결과로부터 손상균열 길이 변화에 따라 최종파단에 대한 복합재 보강판의 잔여강도를 예측하고 손상허용성을 평가할 수 있다.
- 그리고 MSC/NASTRAN을 사용하여 얻은 유한요소해석 결과와 비교하였으며 2~6% 정도의 근사한 차이를 나타냄에 따라 복소퍼텐셜 해법의 유효성을 확인할 수 있었다. 손상균열진전에 따라 응력강도가 증가하나 그 증가율은 중간 보강재에 가까워지면서 보강재의 보강효과의 영향으로 점진적으로 감소하다가 손상균열 길이가 약 0.75인치 이후부터 보강재 가장자리에 이를 때까지 응력강도값이 급격히 감소함을 알 수 있다. 그리고 이후 보강재를 가로질러 성장하면서 다시 응력강도값이 선형적으로 증가하다가 보강재의 가장자리를 벗어나면서 다시 증가율이 증대되면서 최종파단에 이르는 것으로 나타난다.
- 스킨적층판 시편 실험결과(피로하중비 R = 0.1) 손상균열 진전에 대한 산포도가 매우 크게 나타났으나 전체적으로는 하중작용선에 수직방향으로 균열이 성장하여 mode I 형태 파단을보여주었다.
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