[논문]L-형 보강재를 가진 복합재 패널의 제작과 평가

윤종화; 최진호; 권진회

doi:10.7234/composres.2013.26.2.099

L-형 보강재를 가진 복합재 패널의 제작과 평가
Fabrication and Evaluation of Composite Panel with L-shaped Stiffeners 원문보기

Composites research = 복합재료, v.26 no.2, 2013년, pp.99 - 104

윤종화 (경상대학교 항공특성화대학원 항공우주공학과) , 최진호 (경상대학교 기계공학부 항공기부품기술연구소) , 권진회 (경상대학교 항공우주공학과 항공기부품기술연구소)

초록
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복합재 구조물에서 체결부위는 매우 취약한 부분이므로 복합재료 체결부에 대한 설계는 중요한 연구분야로 대두되고 있다. 본 논문에서는 L-형 보강구조를 가진 복합재 구조를 이차접착의 공법으로 제작하여 하중 방향을 달리하여, 접착두께(0.2 mm, 0.6 mm, 4 mm)에 따른 접착강도 실험을 수행하였다. 또한 이를 유한요소해석을 수행하여 파손지수값을 실험값과 상호 비교하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The design of composite joint is important research area because they are often the weakest areas in composite structures. In this paper, the specimens with three paste thickness (0.2 mm, 0.6 mm, 4 mm) were manufactured in secondary bonding method and tested in two different loading direction condition. Also, the failure index of the L-type stiffener was calculated by the finite element method and compared with experimental results.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 L-형의 보강재를 외피에 접착한 보강구조물의 강도 특성과 분리 파손 특성을 평가하였다. 체결부에 하중방향을 달리하여 체결부의 접착 두께에 따른 접착강도를 측정하였으며, L-형 보강재의 파손강도를 예측하기 위하여 유한요소 해석을 수행하고 실험값을 상호 비교하였다.

가설 설정

또한, 5개층 요소와 요소사이에 추가적인 접착 요소층을 배치하여 층간의 응력전달을 원활히 할 수 있도록 하였다. 본 논문의 접착제는 80℃에서 1시간 동안 경화하므로, 온도편차 ∆T = 60℃로 가정하여 L형 접착 구조물에 대한 열응력을 수행하였다.

제안 방법

시험은 3가지 접착두께의 변수를 가진 시편에 대해 2종류의 하중방향으로 실험을 수행하였으며, 시편에 대한 강도를 평가하는 시험 Set-up사진은 Fig. 4와 같다.
본 논문에서는 L-형의 보강재를 외피에 접착한 보강구조물의 강도 특성과 분리 파손 특성을 평가하였다. 체결부에 하중방향을 달리하여 체결부의 접착 두께에 따른 접착강도를 측정하였으며, L-형 보강재의 파손강도를 예측하기 위하여 유한요소 해석을 수행하고 실험값을 상호 비교하였다.

대상 데이터

Fig. 1은 L-형 보강구조를 가진 복합재의 형상과 치수를 나타낸 그림으로, 외피치수는 25.4 × 210 mm²이며, 접착 두께가 0.2 mm, 0.6 mm, 4 mm인 시편을 각각 제작하여 2종류의 하중방향에 대하여 실험하였다. 시험에 사용된 시편의 종류는 6종이며, 종류당 3개씩 총 18개의 시편을 제작하여 실험을 수행하였다.
L-형 보강재와 외피 시편을 접착하기 위한 접착제는 Hysol사의 Epoxy Paste Adhesive인 EA9360이며, Part A와 Part B를 100:40의 무게비로 혼합하여 사용하였다.
시험에 사용된 시편의 종류는 6종이며, 종류당 3개씩 총 18개의 시편을 제작하여 실험을 수행하였다. 시편 제작에 사용된 재료는 Toray사의 T700/2510 plain weave carbon/epoxy 프리프레그이며, 소재의 물성치는 Table 1에 나타나 있다[5]. 성형 후 한 층(Ply)의 공칭두께는 0.
6 mm, 4 mm인 시편을 각각 제작하여 2종류의 하중방향에 대하여 실험하였다. 시험에 사용된 시편의 종류는 6종이며, 종류당 3개씩 총 18개의 시편을 제작하여 실험을 수행하였다. 시편 제작에 사용된 재료는 Toray사의 T700/2510 plain weave carbon/epoxy 프리프레그이며, 소재의 물성치는 Table 1에 나타나 있다[5].

데이터처리

L-보강재의 파손 강도를 예측하기 위하여 유한요소해석을 수행하고 강도 실험의 결과와 비교하였다. 유한요소해석에 사용한 프로그램은 상용 소프트웨어인 ANSYS V10.
이상과 같은 해석과 실험결과의 차이를 규명하기 위하여 L형 접착 구조물에 대한 접착제에 작용하는 응력 성분별 분포를 알아보았다. Fig.

이론/모형

Fig. 9는 유한요소 모델의 경계조건을 나타낸 그림이며, Tsai-Wu의 파손조건식[6]을 이용하여 복합재료의 파손정도를 예측하였다.
L-보강재의 파손 강도를 예측하기 위하여 유한요소해석을 수행하고 강도 실험의 결과와 비교하였다. 유한요소해석에 사용한 프로그램은 상용 소프트웨어인 ANSYS V10.0이며, 3D Structural Solid Element와 3D Layered Structural Solid Element를 적용하였다. Fig.
3과 같은 접착치구를 설계, 제작하여 5개의 시편을 동시에 접착하였다. 접착제와 시편의 접착방법은 ASTM D2471 규정을 따랐으며, 프로그램식 항온 항습 챔버로 80℃에서 1시간 동안 경화시켜 제작하였다.

성능/효과

1) 하중 방향 1은 접착두께가 0.2 mm일 때 최대 파손하중이 2.82 kN으로 가장 높은 값을 나타내었으며, 접착두께가 4 mm일 때 보다 85% 높은 파손하중 값을 보여 접착두께에 대한 영향이 크게 나타남을 볼 수 있었다.
2) 하중 방향 2는 접착두께가 0.6 mm일 때 최대 파손하중이 1.35 kN으로 가장 높은 값을 나타내었다. 또한, 접착제 층에서 파손이 발생하였으며, 접착두께의 영향이 하중 방향 1보다 크지 않음을 확인할 수 있었다.
35 kN으로 가장 높은 값을 나타내었다. 또한, 접착제 층에서 파손이 발생하였으며, 접착두께의 영향이 하중 방향 1보다 크지 않음을 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	복합재료는 기존의 등방성 재료에 비해 어떤점에서 우수한가?	복합재료는 기존의 등방성 재료에 비해 비강성 및 비강도가 높고 감쇠 특성과 충격 특성이 우수하기 때문에 그 사용이 증가하고 있으며 응용 분야 또한 다변화되고 있다[1]. 일반적으로 복합재료 적층 구조물의 체결방법은 크게 기계적 체결방법(Mechanically fastened joint)과 접착에 의한 체결방법(Adhesively bonded joint)으로 나눌 수 있다.
	복합재료 적층 구조물의 체결방법은 어떻게 나뉘는가?	복합재료는 기존의 등방성 재료에 비해 비강성 및 비강도가 높고 감쇠 특성과 충격 특성이 우수하기 때문에 그 사용이 증가하고 있으며 응용 분야 또한 다변화되고 있다[1]. 일반적으로 복합재료 적층 구조물의 체결방법은 크게 기계적 체결방법(Mechanically fastened joint)과 접착에 의한 체결방법(Adhesively bonded joint)으로 나눌 수 있다. 기계적 체결방법은 모재에 원공을 가공한 후, 볼트나 리벳 혹은핀 등을 이용하여 결합하게 된다.
	기계적 체결방법의 장점은 무엇인가?	이로 인하여 복합재료의 강도가 저하되고 체결부 주위에는 높은 응력 집중현상이 발생하여 구조물의 파괴를 가져올 수가 있다. 그러나, 분해 결합이 쉽고 파손점검 및 수리가 용이하며 표면처리가 거의 필요 없는 장점을 가지고 있다. 접착제에 의한 체결방법은 복합재료 구조물에 원공 가공을 하지 않으므로 기계적 체결방법에 비해 넓은 면적에 하중 분포를 가지며 구조물의 무게를 증가시키지 않는 장점을 가지고 있지만 분해가불가능하고 사용 온도, 습도 및 다른 주위 환경에 의한 영향을 받을 수 있는 단점을 가지고 있다[2,3].

참고문헌 (6)

Reinhart, J.J. (Eds), "Composite", ASM International, Vol. 1, 1987, pp. 479-495.
Mallick, P.K., Fiber-Reinforced Composites Materials, Manufacturing and Design, Marcel Dekker, Inc., U.S, 1988.
Vinson, J.R., and Sierakowski, R.L., The Behavior of Structure Composed of Composite Materials, Martinus Nij hoff Publishers, 1987.
Feih, S., and Shercliff, H.R., "Composite Failure Prediction of Single-L Joint Structures under Bending," Composites Part A, Vol. 36, 2005, pp. 381-395.

상세보기
Sokolinsky, V.S., Indermuehle, K.C., and Hurtado, J.A., "Numerical Simulation of the Crushing Process of a Corrugated Composite Plate," Composites Part A, Vol. 42, 2011, pp. 1119-1126.

상세보기
Lee, D.G., Jeong, M.Y., and Choi, J.H., Composite Materials, HongRung Pub, KOR, 2007.

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