선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- [3, 4] 본 논문에서는 반사경 표면에 추가 수지 코팅 삽입방법 및 단방향 섬유복합재료를 사용하여 만든 복합재 반사경 내의 굽힘강성의 불균일성으로 인한 표면변형과 그 패턴의 원인이 무엇인지에 대하여 기술하고자 한다. 본 연구의 목표 달성하기 위해 앞으로 전개될 본문에서는 3개의 장에 걸쳐 주제별로 탐구를 진행하였다.
- 본 논문에서는 수지층이 도포된 준등방성 라미네이트 반사경내의 온도변화 발생시 방사형 방향으로의 굽힘강성의 불균일성으로 인한 표면의 굴곡 패턴을 해석과 실험으로 검토하였다. 준등방성 라미네이트의 신장강성계수는 방사형 방향으로 일정하나 굽힘강성계수는 적층순서에 따라 방사형 방향으로 변화한다.
가설 설정
- (c) Radial variation in flexural stiffness (up) & Global deformation image in FEM result 37.8℃ (100℉).
- 표 1은 각각의 72개의 유한요소 모델의 수치해석에 사용된 적층패턴을 나타낸 것으로 국부적인 해석 기준축 변화에 따른 라미네이트내의 섬유방향의 변화를 보여준다. 해석 시 사용된 복합재료의 물성치는 표 2와 같으며, 유한요소 해석을 위한 경계조건은 그림 5에서 보여지는 것처럼 모델의 대칭이 되는 중간 노드의 변위가 없다고 가정하고, 반사경내의 대칭을 고려하여 x-z 평면 방향의 노드에 v=0, y-z 평면 방향에 u=0으로 가정하였다.
제안 방법
- 첫번째 적층법은 방사형 방향내의 섬유의 각도가 [0°, ±60°]으로 이루어진 π/3 적층법, 두번째는 섬유의 각도가 [0°, ±45°, 90°]으로 분배된 π/4 적층법, 마지막 적층법은 섬유의 각도를 [0°, ±30°, ±60°, 90°]으로 방사형 방향으로 더 많은 섬유를 분포시킨 π/6 적층법이 사용되었고 각각의 라미네이트내의 굽힘강성계수의 변화를 관찰하였다. 또한 라미네이트의 비대칭 및 섬유각도의 불균형에서 오는 복합재 라미네이트내의 굽힘과 뒤틀림을 방지하기 위해 라미네이트이 대칭을 맞추었고, 라미네이트의 총 적층수도 24장으로 동일하게 적용하였다. 라미네이트 내의 신장강성계수 및 굽힘강성계수는 복합재 적층이론(classical laminate theory)을 사용하여 계산/분석하였다.
- 먼저 각각의 적층법으로 만들어진 세 준등방성 라미네이트의 표면변형을 고려하지 않은 모델(이상적인 조건)과 제조과정에서 형성되는 고주파 표면변형, 즉 화이버 프린트-스루를 가정하여 라미네이트의 표면에 추가 수지를 적용하여 고주파 표면변형을 감쇄시킨 모델을 구성하고 모델에 온도조건(ΔT=30℉ 또는 16℃)을 주어 수치해석을 수행하였다.
- 따라서, 굽힘강성의 방사형 변화와 열영향성에 의한 반사경내의 국부적인 표면변형을 계산하기 위하여 Bennett Optical Research(BOR)[2] 에서 제조된 π/4 복합재 반사경이 사용되었으며, 그 실험절차는 다음과 같다. 먼저 그림 12에서 보여주는 바와 같이 가열챔버(heat chamber) 안에 회전디스크 위에 BOR 반사경을 설치하고 온도조건을 고려하기 위해 가열챔버의 온도를 상온 21℃(70℉)에서 37.8℃(100℉) 그리고 65.5℃(150℉)도의 상태로 유지하여 반사경 내의 축 방향의 표면변위를 측정하였다. 온도조건에 의한 각 축의 국부적인 표면변형의 형상을 기록하기 위하여 그림 12의 오른쪽 사진과 같이 16메가 픽셀 소니 디지털 카메라가 사용되었고, 이미지-J 소프트웨어를 사용하여 촬영된 각 축의 표면변형 이미지의 픽셀수를 계산하여 표면변위를 정량화 하였다.
- 섬유강화 복합재료로 제작된 반사경의 표면변형을 보여주기 위하여 그림 10(c)과 같이 테스트 장비를 구성하였다. 먼저 온도차에 의한 반사경 표면상태를 관찰하기 위해 상온(70℉=21.1℃) 과 온도조건(100℉=37.8℃)을 임의로 적용한 후의 표면변형 이미지를 각각 측정하여 비교하였으며, 그 결과를 수치해석 모델의 굽힘강성의 이미지 결과와 비교 분석하였다. 그림 11은 그 결과를 나타낸 것으로, 그림 11(a)의 상온에서의 측정된 임의의 표면변형이 온도조건을 적용 후 그림 11(b)와 같이 굽힘강성계수의 영향으로 전체적으로 휘는 경향을 나타냄을 알 수 있었고, 그 이미지 또한 적층패턴과 섬유각도에 의한 방사형 방향의 굽힘강성 변화의 수치해석의 결과인 그림 11(c)와 유사하게 나타나는 것으로 확인됐다.
- 반사경내의 강성의 영향으로 인한 표면변형을 보여주기 위해 MD Nastran을 이용한 유한요소방법이 사용되었다. 반사경 표면 전체를 모사하는 2차원 쉘요소로 구성된 모델은 반사경의 전반적인 표면변형(global deformation)를 표현하는 데는 적합하나 라미네이트의 두께방향의 전단하중의 모사는 어렵기 때문에 반사경내의 굽힘강성의 불규칙성으로 인해 발생하는 국부적인 표면변형(local deformation) 해석을 위해 그림 4와 같이 축 방향으로 구성된 3차원 솔리드요소를 사용하여 반사경내의 국부적인 표면 거동해석을 진행하였다.
- 복합재 반사경내의 열영향으로 인한 방사형 방향으로의 표면변형의 패턴의 상태를 살펴보기 위하여 각각의 세 라미네이트의 방사형 축의 표면변위의 결과를 통합하여 그림 7과 같이 삼차원으로 표면형상으로 나타내었다.
- [3, 4] 본 논문에서는 반사경 표면에 추가 수지 코팅 삽입방법 및 단방향 섬유복합재료를 사용하여 만든 복합재 반사경 내의 굽힘강성의 불균일성으로 인한 표면변형과 그 패턴의 원인이 무엇인지에 대하여 기술하고자 한다. 본 연구의 목표 달성하기 위해 앞으로 전개될 본문에서는 3개의 장에 걸쳐 주제별로 탐구를 진행하였다. 3개의 탐구주제는 다음과 같다.
- 앞선 그림 4의 예와 같이 원래의 적층패턴의 기준점을 0°로 잡고 방사형방향으로 기준축을 5도씩 증가시켜 각각의 72개 기준축을 사용하는 삼차원 솔리드 요소 해석모델이 수치해석에 사용되었고 그 결과를 통합하여 반사경 전체에 대한 표면변위를 나타내었다.
- 5℃(150℉)도의 상태로 유지하여 반사경 내의 축 방향의 표면변위를 측정하였다. 온도조건에 의한 각 축의 국부적인 표면변형의 형상을 기록하기 위하여 그림 12의 오른쪽 사진과 같이 16메가 픽셀 소니 디지털 카메라가 사용되었고, 이미지-J 소프트웨어를 사용하여 촬영된 각 축의 표면변형 이미지의 픽셀수를 계산하여 표면변위를 정량화 하였다. 또한, 실험데이터를 비교하기 위한 BOR 반사경의 유한요소 모델도 3차원 유한요소 모델로 형성하고, 실험조건의 경계조건을 그림 13와 같이 적용하였다.
- 이번 절에서는 앞선 절에서 다룬 준등방성 라미네이트내의 표면변형 패턴을 실험을 통하여 검증하였다. 실험을 위하여 그림 10(a)와 같이 총 8장으로 구성된 [45, 0-45, 90]s 의 적층패턴을 가진 π/4 준등방성 라미네이트 반사경(d=203.
- 첫번째 적층법은 방사형 방향내의 섬유의 각도가 [0°, ±60°]으로 이루어진 π/3 적층법, 두번째는 섬유의 각도가 [0°, ±45°, 90°]으로 분배된 π/4 적층법, 마지막 적층법은 섬유의 각도를 [0°, ±30°, ±60°, 90°]으로 방사형 방향으로 더 많은 섬유를 분포시킨 π/6 적층법이 사용되었고 각각의 라미네이트내의 굽힘강성계수의 변화를 관찰하였다.
- 먼저 반사경내의 굽힘강성으로 인한 전체 표면변형을 보기 위해 Shack- Hartmann 이미지 테스터(Optino, SpotOptics)를 사용하였다. 테스트 미러를 마운트에 장착하는 방법은 그림 10(c)의 두번째 그럼처럼 미러를 마운트 위에서 삽입하는 방법이 선택되었고, 테스트 미러와 마운트의 접촉면은 미러의 양쪽 옆면과 아래면이 접촉이되는 것을 방지하기 위하여 경계조건 방지용 damper(스펀지)를 적용하여 마운트의 열 변형 및 중력효과로부터 독립적일 수 있게 하였다.
대상 데이터
- 따라서, 굽힘강성의 방사형 변화와 열영향성에 의한 반사경내의 국부적인 표면변형을 계산하기 위하여 Bennett Optical Research(BOR)[2] 에서 제조된 π/4 복합재 반사경이 사용되었으며, 그 실험절차는 다음과 같다.
- 실험을 위하여 그림 10(a)와 같이 총 8장으로 구성된 [45, 0-45, 90]s 의 적층패턴을 가진 π/4 준등방성 라미네이트 반사경(d=203.2 mm)을 제작하였고, 반사경의 표면에 추가 수지 및 빛의 반사를 위해서 알루미늄의 박판으로 코팅을 하였다.
이론/모형
- 온도조건에 의한 각 축의 국부적인 표면변형의 형상을 기록하기 위하여 그림 12의 오른쪽 사진과 같이 16메가 픽셀 소니 디지털 카메라가 사용되었고, 이미지-J 소프트웨어를 사용하여 촬영된 각 축의 표면변형 이미지의 픽셀수를 계산하여 표면변위를 정량화 하였다. 또한, 실험데이터를 비교하기 위한 BOR 반사경의 유한요소 모델도 3차원 유한요소 모델로 형성하고, 실험조건의 경계조건을 그림 13와 같이 적용하였다.
- 또한 라미네이트의 비대칭 및 섬유각도의 불균형에서 오는 복합재 라미네이트내의 굽힘과 뒤틀림을 방지하기 위해 라미네이트이 대칭을 맞추었고, 라미네이트의 총 적층수도 24장으로 동일하게 적용하였다. 라미네이트 내의 신장강성계수 및 굽힘강성계수는 복합재 적층이론(classical laminate theory)을 사용하여 계산/분석하였다.
- 2 mm)을 제작하였고, 반사경의 표면에 추가 수지 및 빛의 반사를 위해서 알루미늄의 박판으로 코팅을 하였다. 먼저 반사경내의 굽힘강성으로 인한 전체 표면변형을 보기 위해 Shack- Hartmann 이미지 테스터(Optino, SpotOptics)를 사용하였다. 테스트 미러를 마운트에 장착하는 방법은 그림 10(c)의 두번째 그럼처럼 미러를 마운트 위에서 삽입하는 방법이 선택되었고, 테스트 미러와 마운트의 접촉면은 미러의 양쪽 옆면과 아래면이 접촉이되는 것을 방지하기 위하여 경계조건 방지용 damper(스펀지)를 적용하여 마운트의 열 변형 및 중력효과로부터 독립적일 수 있게 하였다.
- 이번 장에서는 앞서 이론적으로 찾아낸 복합재 반사경내의 굽힘강성의 영향성을 수치해석을 통해 보여주었다. 반사경내의 강성의 영향으로 인한 표면변형을 보여주기 위해 MD Nastran을 이용한 유한요소방법이 사용되었다. 반사경 표면 전체를 모사하는 2차원 쉘요소로 구성된 모델은 반사경의 전반적인 표면변형(global deformation)를 표현하는 데는 적합하나 라미네이트의 두께방향의 전단하중의 모사는 어렵기 때문에 반사경내의 굽힘강성의 불규칙성으로 인해 발생하는 국부적인 표면변형(local deformation) 해석을 위해 그림 4와 같이 축 방향으로 구성된 3차원 솔리드요소를 사용하여 반사경내의 국부적인 표면 거동해석을 진행하였다.
- 복합재 반사경내의 굽힘강성의 영향성을 보여주기 위해 세가지 일반적인 준등방성 라미네이트 적층방법이 사용되었다. 첫번째 적층법은 방사형 방향내의 섬유의 각도가 [0°, ±60°]으로 이루어진 π/3 적층법, 두번째는 섬유의 각도가 [0°, ±45°, 90°]으로 분배된 π/4 적층법, 마지막 적층법은 섬유의 각도를 [0°, ±30°, ±60°, 90°]으로 방사형 방향으로 더 많은 섬유를 분포시킨 π/6 적층법이 사용되었고 각각의 라미네이트내의 굽힘강성계수의 변화를 관찰하였다.
성능/효과
- 이러한 특성은 반사경 표면 정밀도에 영향을 주며, 또한 국부적 고주파 표면변형의 원인이 된다. 더불어 복합재 제작공정상에 발생하는 화이버 프린트-스루를 감쇄시키기 위한 추가 수지 적용방법은 더 심각한 표면의 뒤틀림과 국부적인 표면파동을 발생하는 것으로 나타났다. 단 방향 섬유 복합재료에서 오는 적층패턴 및 순서의 영향성을 최소화하기 위해서는 라미네이트를 구성하고 있는 총 플라이수를 늘려 방사형 방향으로 섬유를 증가시키거나(중량증가요인) 섬유의 방향성에 의존도가 낮은 랜덤 배양 단섬유 복합재료를 사용함으로써 달성될 수 있을 것으로 예상된다.
- 첫째로 각각의 표면변형 패턴은 적층패턴로 인한 굽힘강성의 방사형 방향 변화 및 섬유의 방향성과 밀접한 관련이 있는 것을 보여준다. 둘째, 주요 섬유방향의 변위는 다른 방사형 방향보다 상대적으로 작은 변위를 가지며, 마지막으로 열 영향에 의한 표면변형의 패턴은 고주파(sinusoidal) 파동의 형상이며 그 패턴도 매우 난해하여 수정이 불가하다는 결론을 가지게 된다. 만약 열 영향으로 유도된 표면변형의 곡률의 형상이 방사형 방향으로 일정하다면, 그 표면변형에서 오는 오류는 대부분의 광학 시스템에서 용이하게 수정될 수 있으나, 그림 7에 도시된 결과처럼 표면이 대칭이 되지 않은 고차의 곡률 특성을 복합재 반사경에서 가지는 것으로 나타났다.
- 둘째, 주요 섬유방향의 변위는 다른 방사형 방향보다 상대적으로 작은 변위를 가지며, 마지막으로 열 영향에 의한 표면변형의 패턴은 고주파(sinusoidal) 파동의 형상이며 그 패턴도 매우 난해하여 수정이 불가하다는 결론을 가지게 된다. 만약 열 영향으로 유도된 표면변형의 곡률의 형상이 방사형 방향으로 일정하다면, 그 표면변형에서 오는 오류는 대부분의 광학 시스템에서 용이하게 수정될 수 있으나, 그림 7에 도시된 결과처럼 표면이 대칭이 되지 않은 고차의 곡률 특성을 복합재 반사경에서 가지는 것으로 나타났다. 이 결과로 미루어 보건대 단방향 섬유 복합재료를 사용하여 제조한 복합재 반사경이 고온/저온의 작동환경에 놓여 질 때 이러한 표면변형은 필연적임을 알 수 있다.
- 그림 3은 준등방성 라미네이트내의 방사형 방향의 굽힘강성의 변화를 계산하여 나타낸 것이다. 수치계산의 결과처럼 준등방성 라미네이트내의 굽힘강성계수는 방사형 방향으로 변화하며 각각의 라미네이트에서 변화량의 차이가 있는 것으로 나타났다. 그림 3에 나타난 것처럼 π/3 라미네이트내의 강성계수의 방사형 변화량은 ±12.
- 8℃에서의 BOR 반사경내의 방사형 축의 실험과 수치해석의 표면변형의 결과를 나타낸 것이다. 실험에 사용된 BOR 반사경은 추가 수지를 포함하지 않은 상태로 각각의 방사형 방향에 대하여 대칭(symmetric, 추가 수지 미포함) 임에도 불구하고 실험 및 수치해석의 결과와 같이 전체적인 표면변형과 국부적인 표면편향이 발견되었다. 이 결과는 라미네이트 반사경 내의 표면변형의 근본적인 원인이 적층패턴의 영향으로 인한 굽힘강성의 변화가 표면변형에 미치는 영향이 크다는 것을 보여주는 결과이다.
- 실험에 사용된 BOR 반사경은 추가 수지를 포함하지 않은 상태로 각각의 방사형 방향에 대하여 대칭(symmetric, 추가 수지 미포함) 임에도 불구하고 실험 및 수치해석의 결과와 같이 전체적인 표면변형과 국부적인 표면편향이 발견되었다. 이 결과는 라미네이트 반사경 내의 표면변형의 근본적인 원인이 적층패턴의 영향으로 인한 굽힘강성의 변화가 표면변형에 미치는 영향이 크다는 것을 보여주는 결과이다. 그림 15은 각 축의 표면변형 최대값을 비교 분석한 결과를 나타낸 것으로 30, 75, 105도 에서 약간의 편차가 발생하지만 대부분의 실험과 수치해석의 결과가 비교적 잘 일치하며 최대편차가 11% 변동 내에 들어오는 것으로 나타났다.
- 연구실험의 결과 광학테스트 장비를 이용한 국부적인 고주파 표면변형의 형상을 찾기에는 어려움이 있었다. 정확한 광학 데이터 획득을 저해한 이유로는 테스트 반사경의 표면품질의 저하로 국부적인 빛의 흩어짐이 발생하였고, 이러한 현상은 빛이 법선에 대해 상대적으로 큰 각도로 시험격자에서 벗어나는 요인이 되었고 결과적으로 정확한 광학 데이터 획득을 저해하는 요인으로 작용하였다. 따라서, 굽힘강성의 방사형 변화와 열영향성에 의한 반사경내의 국부적인 표면변형을 계산하기 위하여 Bennett Optical Research(BOR)[2] 에서 제조된 π/4 복합재 반사경이 사용되었으며, 그 실험절차는 다음과 같다.
- 그림 7의 결과에서 온도변화에 의한 각각의 라미네이트 내의 표면변형 패턴을 살펴보면 유사성을 찾아 볼 수 있다. 첫째로 각각의 표면변형 패턴은 적층패턴로 인한 굽힘강성의 방사형 방향 변화 및 섬유의 방향성과 밀접한 관련이 있는 것을 보여준다. 둘째, 주요 섬유방향의 변위는 다른 방사형 방향보다 상대적으로 작은 변위를 가지며, 마지막으로 열 영향에 의한 표면변형의 패턴은 고주파(sinusoidal) 파동의 형상이며 그 패턴도 매우 난해하여 수정이 불가하다는 결론을 가지게 된다.
- 5℃으로 설정하여 실험 및 수치해석을 재 수행하였고 그 결과값을 그림 16과 17에서 보여주고 있다. 표면변형 패텬의 결과는 37.8℃의 경우와 유사하지만 실험 및 수치적으로 예측된 값의 편차가 줄어 드는 것으로 나타났다.
후속연구
- 더불어 복합재 제작공정상에 발생하는 화이버 프린트-스루를 감쇄시키기 위한 추가 수지 적용방법은 더 심각한 표면의 뒤틀림과 국부적인 표면파동을 발생하는 것으로 나타났다. 단 방향 섬유 복합재료에서 오는 적층패턴 및 순서의 영향성을 최소화하기 위해서는 라미네이트를 구성하고 있는 총 플라이수를 늘려 방사형 방향으로 섬유를 증가시키거나(중량증가요인) 섬유의 방향성에 의존도가 낮은 랜덤 배양 단섬유 복합재료를 사용함으로써 달성될 수 있을 것으로 예상된다. 추후에는 화이버 프린트-스루의 영향으로 인한 표면 기복을 완화시키기 위해, 탄소나노튜브를 표면층에 적용 및 랜덤 배양 단섬유 복합재료의 연구가 필요하다.
- 단 방향 섬유 복합재료에서 오는 적층패턴 및 순서의 영향성을 최소화하기 위해서는 라미네이트를 구성하고 있는 총 플라이수를 늘려 방사형 방향으로 섬유를 증가시키거나(중량증가요인) 섬유의 방향성에 의존도가 낮은 랜덤 배양 단섬유 복합재료를 사용함으로써 달성될 수 있을 것으로 예상된다. 추후에는 화이버 프린트-스루의 영향으로 인한 표면 기복을 완화시키기 위해, 탄소나노튜브를 표면층에 적용 및 랜덤 배양 단섬유 복합재료의 연구가 필요하다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.