[논문]잔류응력을 고려한 섬유 금속 적층판의 기계적 물성치 예측에 관한 이론적 연구

강동식; 이병언; 박으뜸; 김정; 강범수; 송우진

doi:10.5228/kstp.2014.23.5.289

잔류응력을 고려한 섬유 금속 적층판의 기계적 물성치 예측에 관한 이론적 연구
Analytical Study for the Prediction of Mechanical Properties of a Fiber Metal Laminate Considering Residual Stress 원문보기

소성가공 = Transactions of materials processing : Journal of the Korean society for technology of plastics, v.23 no.5, 2014년, pp.289 - 296

강동식 (부산대학교 첨단정밀공학 협동과정) , 이병언 (부산대학교 항공우주공학과) , 박으뜸 (부산대학교 항공우주공학과) , 김정 (부산대학교 항공우주공학과) , 강범수 (부산대학교 항공우주공학과) , 송우진

Abstract ▼ AI-Helper

Uniaxial tensile tests were conducted to accurately evaluate the in-plane mechanical properties of fiber metal laminates (FMLs). The FMLs in the current study are comprised of a layer of self-reinforced polypropylene (SRPP) sandwiched between two layers of aluminum alloy 5052-H34. The nonlinear tensile behavior of the FMLs under in-plane loading conditions was investigated using both numerical simulations and a theoretical analysis. The numerical simulation was based on finite element modeling using the ABAQUS/Explicit code and the theoretical constitutive model was based on the volume fraction approach using the rule of mixture and a modification of the classical lamination theory, which incorporates the elastic-plastic behavior of the aluminum alloy and the SRPP. The simulations and the model are used to predict the inplane mechanical properties such as stress-strain response and deformation behavior of the FMLs. In addition, a post-stretching process is used to reduce the thermal residual stresses before uniaxial tensile testing of the FMLs. Through comparison of both the numerical simulations and the theoretical analysis with the experimental results, it is concluded that the numerical simulation model and the theoretical approach can describe with sufficient accuracy the actual tensile stress-strain behavior of the FMLs.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 단축 인장하중 상태에서 섬유 금속 적층판의 기계적 물성치를 예측하기 위하여 자기 강화형 폴리프로필렌과 알루미늄 합금을 적층한 섬유 금속 적층판에 대한 인장시험과 함께 유한요소 모델링을 통한 수치적 해석을 수행하였다. 또한, 섬유 금속 적층판의 응력-변형률 관계를 예측하기 위하여 체적 분율 접근법(volume fraction approach)과알루미늄 합금 판재의 탄-소성 거동을 고려한 고전 적층 이론(classical lamination theory)의 수정 모델을 사용하여 섬유 금속 적층판의 기계적 물성치 예측에 관한 이론적 연구를 수행하였다.

가설 설정

섬유 금속 적층판의 기계적 물성치를 도출하기 위하여 체적분율과 고전 적층 이론을 기반으로 하여 도출된 결과들을 비교하였다. 체적분율을 이용한 이론적 해석은 섬유와 기지재료(matrix) 각각의 고유성은 무시하고, 알루미늄과 자기 강화형 폴리프로필렌은 균일한 직교 이방성 판재라고 가정하여 정리하였다[15]

제안 방법

본 논문에서는 단축 인장하중 상태에서 섬유 금속 적층판의 기계적 물성치를 예측하기 위하여 자기 강화형 폴리프로필렌과 알루미늄 합금을 적층한 섬유 금속 적층판에 대한 인장시험과 함께 유한요소 모델링을 통한 수치적 해석을 수행하였다. 또한, 섬유 금속 적층판의 응력-변형률 관계를 예측하기 위하여 체적 분율 접근법(volume fraction approach)과알루미늄 합금 판재의 탄-소성 거동을 고려한 고전 적층 이론(classical lamination theory)의 수정 모델을 사용하여 섬유 금속 적층판의 기계적 물성치 예측에 관한 이론적 연구를 수행하였다. 이와 함께, 섬유 금속 적층판 제작시 각 재료의 열팽창계수 차이에 의해 발생하는 잔류 응력을 고려한 인장시험을 추가적으로 수행하였고, 이론적 예측을 통해 실험및 해석 결과와 비교하였다.
본 연구에서는 알루미늄 합금과 자기 강화형 폴리프로필렌을 이용하여 섬유 금속 적층판을 제작 하였고, 섬유 금속 적층판의 단축 인장하중 상태에 서의 기계적 물성치에 관한 연구를 수행하였다. 압연방향을 기준으로 0°, 45°, 90°방향으로의 알루미늄 합금과 자기 강화 형 폴리프로필렌 , 0 °, 4 5 °방향
단축 인장시험에 대한 유한요소 해석은 상용 해석 프로그램인 ABAQUS/Explicit를 사용하여 수행하였고, 효과적인 해석을 수행하기 위하여 1/4 모델을 사용하였다. 본연구에서는 인장 거동에 초점이 맞춰져 있고 박리 현상에 관하여는 고려하지 않기 때문에, 섬유 금속 적층판 시편은 알루미늄 합금과 자기 강화형 폴리 프로필렌의 단축 응력을 구하기 위해 단층 솔리드 요소(solid element)로서 모델링하였다. Fig.
섬유 금속 적층판의 이론적 모델링은 종탄성계수를 결정하고 단축 인장하중 상태에서의 기계적 물성치를 예측하기 위해 수행하였고, 체적 분율 접근 법과 고전 적층 이론을 이용하여 섬유 금속 적층판의 기계적 물성치를 예측하였다. 그 결과, 소성 거동 영역에서는 혼합물 법칙에 의한 체적 분율 접근 법을 사용하는 것 보다 고전 적층 이론을 기반으로 예측한 결과를 사용하는 것이 효과 적임을 확인하였다.
섬유 금속 적층판의 이론적 모델링은 종탄성계수와 단축 인장하중 모드에서의 기계적 물성치를 예측하기 위해 수행되었다. 섬유 금속 적층판의 기계적 물성치를 도출하기 위하여 체적분율과 고전 적층 이론을 기반으로 하여 도출된 결과들을 비교하였다.
에서의 섬유 금속 적층판의 응력-변형률 관계, 파단 연신율, 그리고 종탄성계수를 측정 하기 위해 일축 인장시험을 수행하였다. 특히, 섬유 금속 적층판을 구성하는 각 재료의 열팽창계수 차이에 의한 잔류 응력 제거를 위하여 소성변형 후 후-인발 공정을 통해 인장시험을 수행하여야 함을 확인하였다.
또한, 섬유 금속 적층판의 응력-변형률 관계를 예측하기 위하여 체적 분율 접근법(volume fraction approach)과알루미늄 합금 판재의 탄-소성 거동을 고려한 고전 적층 이론(classical lamination theory)의 수정 모델을 사용하여 섬유 금속 적층판의 기계적 물성치 예측에 관한 이론적 연구를 수행하였다. 이와 함께, 섬유 금속 적층판 제작시 각 재료의 열팽창계수 차이에 의해 발생하는 잔류 응력을 고려한 인장시험을 추가적으로 수행하였고, 이론적 예측을 통해 실험및 해석 결과와 비교하였다.

대상 데이터

본 연구에서 사용된 섬유 금속 적층판은 Fig. 1과같이, 두께 1mm의 SRPP와 두께 0.
알루미늄 합금은 섬유 금속 적층판 제조에 사용 되는 가장 일반적인 금속으로서, 본 연구에서 사용한 알루미늄 합금 50 계열은 자동차 업계에서도 폭넓게 사용되는 재료이며, 밀도는 2,830kg/m³, 종탄성 계수는 68.5GPa, 그리고 파단 연신율은 10% 이다. 또한, 독일의 Curv社에서 제작된 자기 강화형 폴리 프로필렌은 보강재와 기지재가 동일한 폴리머로 제작되어 재활용하기 쉬운 열가소성 재료이며, 밀도는 920kg/m³, 녹는점은 175℃이다.

데이터처리

섬유 금속 적층판 구성재료의 인장시험 결과를 이용하여 수치적 해석을 수행하였다. 단축 인장시험에 대한 유한요소 해석은 상용 해석 프로그램인 ABAQUS/Explicit를 사용하여 수행하였고, 효과적인 해석을 수행하기 위하여 1/4 모델을 사용하였다. 본연구에서는 인장 거동에 초점이 맞춰져 있고 박리 현상에 관하여는 고려하지 않기 때문에, 섬유 금속 적층판 시편은 알루미늄 합금과 자기 강화형 폴리 프로필렌의 단축 응력을 구하기 위해 단층 솔리드 요소(solid element)로서 모델링하였다.
섬유 금속 적층판 구성재료의 인장시험 결과를 이용하여 수치적 해석을 수행하였다. 단축 인장시험에 대한 유한요소 해석은 상용 해석 프로그램인 ABAQUS/Explicit를 사용하여 수행하였고, 효과적인 해석을 수행하기 위하여 1/4 모델을 사용하였다.
섬유 금속 적층판의 이론적 모델링은 종탄성계수와 단축 인장하중 모드에서의 기계적 물성치를 예측하기 위해 수행되었다. 섬유 금속 적층판의 기계적 물성치를 도출하기 위하여 체적분율과 고전 적층 이론을 기반으로 하여 도출된 결과들을 비교하였다. 체적분율을 이용한 이론적 해석은 섬유와 기지재료(matrix) 각각의 고유성은 무시하고, 알루미늄과 자기 강화형 폴리프로필렌은 균일한 직교 이방성 판재라고 가정하여 정리하였다[15]

이론/모형

모든 시편은 ASTM E8[12]의 규격을 참고하여 제작하였으며, 압연방향(rolling direction)을 기준으로 0°, 45°, 90°방향의 자기 강화형 폴리프로필렌과 알루미늄 합금 그리고 0°, 45°방향의 섬유 금속 적층판의 응력-변형률 관계, 파단 연신율 그리고 종탄성계수를 측정하기 위하여 단축 인장시험을 수행하였다. 만능시험기 MTS를 사용하여 인장시험을 수행하였 으며, 시편 고정부 마찰 면에 의한 영향을 줄이기 위하여 시편 끝 부분에 추가적으로 지그를 부착하 였다.

성능/효과

섬유 금속 적층판의 이론적 모델링은 종탄성계수를 결정하고 단축 인장하중 상태에서의 기계적 물성치를 예측하기 위해 수행하였고, 체적 분율 접근 법과 고전 적층 이론을 이용하여 섬유 금속 적층판의 기계적 물성치를 예측하였다. 그 결과, 소성 거동 영역에서는 혼합물 법칙에 의한 체적 분율 접근 법을 사용하는 것 보다 고전 적층 이론을 기반으로 예측한 결과를 사용하는 것이 효과 적임을 확인하였다.
그리고 섬유 금속 적층판의 구성 재료에 대한 인장시험 결과를 이용하여 수치적 해석을 수행한 결과는 실험 결과와 거의 유사함을 확인할 수 있었다. 하지만 본 연구에서는, 이론적 모델에 접착제층의 접착강도를 고려하지 않았으므로 실험과 이론적 계산 간에 약간의 차이가 있음을 확인 할 수 있었다.
에서의 섬유 금속 적층판의 응력-변형률 관계, 파단 연신율, 그리고 종탄성계수를 측정 하기 위해 일축 인장시험을 수행하였다. 특히, 섬유 금속 적층판을 구성하는 각 재료의 열팽창계수 차이에 의한 잔류 응력 제거를 위하여 소성변형 후 후-인발 공정을 통해 인장시험을 수행하여야 함을 확인하였다.
그리고 섬유 금속 적층판의 구성 재료에 대한 인장시험 결과를 이용하여 수치적 해석을 수행한 결과는 실험 결과와 거의 유사함을 확인할 수 있었다. 하지만 본 연구에서는, 이론적 모델에 접착제층의 접착강도를 고려하지 않았으므로 실험과 이론적 계산 간에 약간의 차이가 있음을 확인 할 수 있었다. 따라서 섬유 금속 적층판의 정확한 물성치 확보를 위해서는 접착제 층을 고려한 연구가 필요하다는 사실을 확인 할 수 있다.

후속연구

하지만 본 연구에서는, 이론적 모델에 접착제층의 접착강도를 고려하지 않았으므로 실험과 이론적 계산 간에 약간의 차이가 있음을 확인 할 수 있었다. 따라서 섬유 금속 적층판의 정확한 물성치 확보를 위해서는 접착제 층을 고려한 연구가 필요하다는 사실을 확인 할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	섬유 금속 적층판을 차체에 적용하는 연구가 진행되는 이유는?	금속 부품을 사용하는 대신 복합재료를 사용하는 경우에 중량은 약 30% 이상, 그리고 부품의 수는 약 30~75% 감소 한다고 알려져 있다[4]. 하지만 복합재료의 경우, 수직 충격 하중에 대한 충격 저항의 취약성, 부분 파손 시 수리의 어려움 그리고, 수분 흡수에 의한 성능 저하 등의 단점을 가지고 있어 금속재료와 복합재료의 적층을 통한 섬유 금속 적층판(fiber metal laminates, FMLs) 의 적용에 관한 연구가 많이 진행되고 있다[5]. 특히, 항공우주 및 자동차 제조 업계에서는 유리섬유 강화 플라스틱(glass-fiber-reinforced plastic, GFRP) 또는 탄소섬유 강화 플라스틱(carbonfiber- reinforced plastic, CFRP) 그리고, 폴리프로필렌(polypropylene)과 금속재료를 적층한 섬유 금속 적층판이 폭넓게 사용되고 있고[6~9], 최근에는 GFRP나 CFRP를 대신하여 보강재(fiber)와 기지재(matrix)가 동일한 폴리머 재료로 만들어진 자기강화형 폴리프로필렌(self-reinforced polypropylene, SRPP)과 같은 열가소성 복합재료와 알루미늄 합금을 교대로 적층한 복합재료를 제안하여 새로운 수송기계 구조용 복합소재로서의 적용성에 관한 연구가 진행되고 있는 실정이다[10, 11].
	복합재료의 특징은?	복합재료는 기존의 금속재료에 비해 높은 비강도, 비강성, 에너지 흡수성 등 우수한 기계적 특성을 지니고 있으며, 항공우주분야에서 우주왕복선이나 항공기 핵심부품에 폭넓게 사용되고 있다[1, 2]. 또한, 차체의 경량화와 내충격성을 증대시키기 위해 주로 자동차의 내장재 위주로 복합재료를 적용하던 추세에서, 최근에는 자동차의 범퍼(bumper)나 임팩트 빔(impact beam) 등의 차체 구조물에 금속 대신 복합재료를 적용하여 보다 효과적인 차체 경량화가 이루어지는 연구를 진행하는 추세이다[3].
	자기강화형 폴리프로필렌(self-reinforced polypropylene, SRPP)와 같은 열가소성 수지 사용의 한계점은?	특히, 항공우주 및 자동차 제조 업계에서는 유리섬유 강화 플라스틱(glass-fiber-reinforced plastic, GFRP) 또는 탄소섬유 강화 플라스틱(carbonfiber- reinforced plastic, CFRP) 그리고, 폴리프로필렌(polypropylene)과 금속재료를 적층한 섬유 금속 적층판이 폭넓게 사용되고 있고[6~9], 최근에는 GFRP나 CFRP를 대신하여 보강재(fiber)와 기지재(matrix)가 동일한 폴리머 재료로 만들어진 자기강화형 폴리프로필렌(self-reinforced polypropylene, SRPP)과 같은 열가소성 복합재료와 알루미늄 합금을 교대로 적층한 복합재료를 제안하여 새로운 수송기계 구조용 복합소재로서의 적용성에 관한 연구가 진행되고 있는 실정이다[10, 11]. 하지만 열가소성 수지를 이용한 섬유 금속 적층판의 경우는 열가소성 수지가 온도에 의해 용융되는 현상이 발생하거나 통전이 되지 않는 현상이 발생할 수 있으므로, 자동차 도장공정과 같은 고온 공정이나 점 용접(spot welding)과 같은 제작 공정에서의 적용에 한계점을 가질 수 있다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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