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굽힘 하중을 받는 복합재 기계적 체결부의 강도예측에 관한 연구
A Study on Strength Prediction of Mechanical Joint of Composite under Bending Load 원문보기

Composites research = 복합재료, v.27 no.6, 2014년, pp.213 - 218  

백설 (School of Mechanical Engineering, Yonsei Univ.) ,  강경탁 (School of Mechanical Engineering, Yonsei Univ.) ,  이진아 (School of Mechanical Engineering, Yonsei Univ.) ,  전흥재 (School of Mechanical Engineering, Yonsei Univ.)

초록
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본 논문에서는 특성길이 및 특성 곡선 방법을 굽힘 하중 상태의 복합재 기계적 체결부에 적용하여 강도를 예측하는 연구를 수행하였다. 선행 연구들이 특성길이 및 특성 곡선 방법을 인장과 압축 하중에만 적용한 것과 달리 본 연구에서는 굽힘 하중에 적용하고 그 가능성을 확인했다. 체결부 파손 해석을 위해 ABAQUS를 사용하여 핀과 모재의 접촉 및 마찰을 고려한 비선형 해석을 수행하였다. 해석결과를 이용하여 얻은 특성 곡선상에서 Tsai-Wu 이론을 적용하여 파손 및 파단 양상을 예측하였다. 또한 복합재 시편에 굽힘 하중을 가해 파손하중을 알아보는 실험을 통해 검증한 결과 해석으로 얻은 복합재 체결부의 파손하중이 실험 결과와 매우 잘 일치함을 확인하였다. 결론적으로 특성길이 및 특성 곡선 방법이 굽힘 하중 상태의 복합재 기계적 체결부의 강도를 비교적 잘 예측할 수 있다는 것을 알 수 있었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This paper predicted the strength of mechanical joint of composites under bending load by means of the characteristic curve method. The method has been employed only for tensile and compression load conditions, but in this study, this method was extended to the bending load condition. For the finite...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 하중조건은 실험에서와 같은 형상 및 적층순서를 갖는 시편에 대해 인장 하중과 굽힘 하중을 각각 적용하였다. 같은 시편에 인장 하중과 굽힘 하중을 가해주었을 때의 체결부의 파손모드가 일치함을 확인함으로서, 본 연구에서 제시한 특성 길이, 곡선 개념을 통한 파단 및 파단 양상 예측 방법이 굽힘 하중에도 적용 가능함을 확립하고자 하였다.
  • 유한요소해석을 통해 특성 곡선과 Tsai-Wu 파손식을 적용한 인장 및 굽힘 하중 하에서의 파손 양상을 비교 분석하여 굽힘 하중 상태에서의 특성 길이 및 특성 곡선 적용가능성을 연구하고자 하였다. 또한 실험을 통해 해석 결과를 검증하여 굽힘 하중에서의 특성 길이 개념 적용 가능성과 그 정확성을 알아보았다.
  • 본 연구에서는 특성길이개념의 Out-of-plane 하중 하에서 복합재 기계적 체결부에 적용 가능성을 살펴보고자 하였다. 굽힘 하중이 적용된 복합재 기계적 체결부에 대한 유한요소해석과 실험을 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
  • 본 연구의 시험에서는 인장 하중 및 굽힘 하중의 체결부시험 평가 및 비교를 통해 특성길이 및 특성 곡선의 굽힘 하중에의 적용 가능성을 파악하고, 이로써 Out-of-plane 방향으로의 파손 및 파단 양상을 알아보고자 하였다.
  • 174 kN이다. 실험을 통해 얻은 Failure load P 값과 특성곡선 개념을 이용해 수행한 해석의 값 비교를 통해 연구 목표의 가능성을 확인한다.
  • 이런 이유로 본 연구에서는 특성 길이 및 특성 곡선의 개념을 이용하여 Out-of-plane 하중 상태에서의 강도를 예측하고자 하였다. 유한요소해석을 통해 특성 곡선과 Tsai-Wu 파손식을 적용한 인장 및 굽힘 하중 하에서의 파손 양상을 비교 분석하여 굽힘 하중 상태에서의 특성 길이 및 특성 곡선 적용가능성을 연구하고자 하였다. 또한 실험을 통해 해석 결과를 검증하여 굽힘 하중에서의 특성 길이 개념 적용 가능성과 그 정확성을 알아보았다.
  • 그러나 기존 연구들이 대부분 인장이나 압축인 In-plane 하중을 받을 때의 복합재 체결에 관한 연구이기 때문에 굽힘 하중 등으로 인한 Outof-plane 하중 상태에서의 체결 연구가 매우 부족하다. 이런 이유로 본 연구에서는 특성 길이 및 특성 곡선의 개념을 이용하여 Out-of-plane 하중 상태에서의 강도를 예측하고자 하였다. 유한요소해석을 통해 특성 곡선과 Tsai-Wu 파손식을 적용한 인장 및 굽힘 하중 하에서의 파손 양상을 비교 분석하여 굽힘 하중 상태에서의 특성 길이 및 특성 곡선 적용가능성을 연구하고자 하였다.

가설 설정

  • 1이다. 모델은 1축에 대하여 대칭이므로 Fig. 10과 같이 대칭경계조건을 이용하여 해석하였고 핀은 3자유도를 구속하여 고정된 것으로 가정하였다. 핀의 재질은 물성이 E = 210 GPa, ν = 0.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
복합재료의 장점은 무엇인가? 복합재료는 우수한 내피로와 충격특성, 진동 감쇠 등의 우수한 기계적 특성과 경량화를 도모할 수 있다는 장점으로 그 사용이 증가하고 적용범위가 넓어지고 있다[1]. 복합재 사용량이 많아짐에 따라 당면하는 문제점 중 하나로 체결 방법을 꼽을 수 있다.
복합재료 구조물의 체결방법은 크게 무엇으로 나눌 수 있는가? 이러한 이유로 복합재료 체결부 설계에 대한 연구의 중요성이 대두되고 있다. 복합재료 구조물의 체결방법은 크게 기계적 체결[2]과 접착에 의한 체결[3]로 나눌 수 있다. 기계적 체결은 원공을 가공한 복합재를 볼트나 리벳 등을 이용해 결합하는 방식이고, 접착 체결은 접착제를 이용해 접합시키는 방식이다.
복합재료 체결부 설계 연구가 중요한 이유는 무엇인가? 복합재 사용량이 많아짐에 따라 당면하는 문제점 중 하나로 체결 방법을 꼽을 수 있다. 복합재 구조물의 경우 대부분 체결부에서 취약함이 나타나게 되는데 이 체결부의 취약함이 전체 복합재 구조물의 안정성에 영향을 주게 된다. 이러한 이유로 복합재료 체결부 설계에 대한 연구의 중요성이 대두되고 있다.
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참고문헌 (12)

  1. Jones, R.M., "Mechanics of Composite Materials", Mcgraw Hill, NY, 1975. 

  2. Gweon, J.H., Choi, J.H., and Chun, Y.J., "A Study on the Strength of Mechanically Fastened Composite Joint," Journal of the Korean Society for Composite Material, Vol. 15, 2002, pp. 9-16 

  3. Kim, T.H., Sung, M.S., Gweon, J.H., and Choi, J.H., "A Parametric Study on the Strength of Single-Lap Bonded Joints of Carbon Composite and Aluminum", Journal of the Korean Society for Composite Materials, Vol. 20, 2007, pp. 34-42. 

  4. Whitney, J.M., and Nuismer, R.J., "Stress Fracture Criteria for Laminated Composites Containing Stress Concentration", Journal of Composite Materials, Vol. 10, 1974, pp. 253-265. 

  5. Chang, F.K., and Scott, R.A., "Strength of Mechanically Fastened Composite Joints", Journal of Composite Materials, Vol. 16, 1982, pp. 470-494. 

  6. Park, N.H., Gweon, J.H., Choi, J.H., Kim, K.S., and Lee, S.K., "A study on the Mechanical Joint Analysis of Composite Laminate Using Characteristic Length", Journal of The Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, 2001, pp. 295-299. 

  7. Chun, Y.J., Choi, J.H., and Kweon, J.H., "A Study on the Strength of Mechanically Fastened Composite Joint Using the Failure Area Index Method", Journal of the Korean Society for Composite Materials, Vol. 16, 2003, pp. 1-8. 

  8. Hart-smith, L.J., "Mechanically Fastened Joints for Advanced Composites - Phenomenological Considerations and Simple Analysis," Fibrous Composite in Structural Design. Plenuum Press, 1980, pp. 543-574. 

  9. Whitney, J.M., and Nuismer, R.J., "Uniaxial Failure of Composite Laminated Containing Stress Concentrations", Fracture Mechanics of Composites, 1975, pp.117-148. 

  10. Hollman, K., "Failure Analysis of Bolted Composite Joints Exhibiting In-plane Failure Modes", Journal of Composite Materials, Vol. 30, 1996, pp. 358-383. 

  11. Pierron, F., and Cerisier, F., "A Numerical and Experimental Study of Composite Materials", Vol. 34, 2000, pp. 1028-1054. 

  12. Chang, F.K., "The Effect of Pin Load Distribution on the Strength of Pon Loaded Holes in Laminated Composites", Journal of Composite Materials, Vol. 20, 1986, pp. 401-408. 

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