[논문]점탄성을 고려한 탄소 섬유강화 복합재의 열 변형 유한요소 해석

정성록; 김위대; 김재학

doi:10.7234/composres.2014.27.4.174

점탄성을 고려한 탄소 섬유강화 복합재의 열 변형 유한요소 해석
Analysis of Thermal Deformation of Carbon-fiber Reinforced Polymer Matrix Composite Considering Viscoelasticity 원문보기

Composites research = 복합재료, v.27 no.4, 2014년, pp.174 - 181

정성록 (Pusan National University, Aerospace Engineering) , 김위대 (Pusan National University, Aerospace Engineering) , 김재학 (Korean Air)

초록
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본 연구에서는 탄소섬유 강화 복합재의 점탄성 성질을 적용한 유한요소 해석에 대해서 기술하였다. 고온의 성형과정에서 발생하는 가장 중요한 문제 중 하나는 잔류응력의 발생이다. 잔류응력으로 인해 성형이 끝난 후 뒤틀림, 균열이 일어 날 수 있으며 이는 완성품에 심각한 결함을 가져올 수 있다. 잔류응력의 주요 원인은 점탄성이며 고온의 성형과정에서 열팽창계수의 차이와 수지의 시간 및 온도에 대한 물성의 변화로 인해 발생하는 탄소섬유 강화 복합재의 특징이다. 화학 수축도 잔류응력에 많은 영향을 주며 이를 고려한 뒤틀림 예측에서 오차를 줄일 수 있는 중요한 요소이다. 본 연구는 복합재 성형에 사용된 온도변화에 대한 경화도와 점탄성 효과, 화학수축을 유한요소 해석으로 수행하기 위한 기법을 연구하고, 점탄성의 영향성을 연구하였다. 기존에 연구되어 있는 논문을 참고하여 서브루틴의 타당성을 검증한 후 나아가 복합재의 적층각의 변화에 따른 응력과 변형을 해석해 봄으로써 실제 복합재의 성형 시 발생하는 휨 현상에 대한 예측방법을 제시하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study describes viscoelasticity analysis of carbon-fiber reinforced polymer matrix composite material. One of the most important problem during high temperature molding process is residual stress. Residual stress can cause warpage and cracks which can lead to serious defects of the final product. For the difference in thermal expansion coefficient and change of resin property during curing, it is difficult to predict the final deformed shape of carbon-fiber reinforced polymer matrix composite. The consideration of chemical shrinkage can reduce the prediction errors. For this reason, this study includes the viscoelasticity and chemical shrinkage effects in FE analysis by creating subroutines in ABAQUS. Analysis results are compared with other researches to verify the validity of the subroutine developed, and several stacking sequences are introduced to compare tested results.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 ABAQUS와 서브루틴을 사용하여 탄소섬유 강화 복합재의 점탄성을 고려한 뒤틀림 예측을 하였다. 또한 화학 수축이 잔류응력과 뒤틀림에 끼치는 영향을 알아보았다. 본 해석에 앞서 기존의 논문을 통해[1-4] 검증을 거친 후 유한요소 해석을 실시하였다.
본 연구는 복합재의 오토클레이브에서 고온, 고압성형중 발생하는 잔류응력을 알아보기 위해 유한요소 해석을 실시하였다. 잔류응력을 유발하는 요인에는 여러 가지가 있으며 그 중 점탄성과 열팽창, 화학 수축은 중요한 요인이다.
본 연구에서는 ABAQUS와 서브루틴을 사용하여 탄소섬유 강화 복합재의 점탄성을 고려한 뒤틀림 예측을 하였다. 또한 화학 수축이 잔류응력과 뒤틀림에 끼치는 영향을 알아보았다.
그러나 최근의 연구에서는 화학 수축은 잔류응력이 발생하는데 상당한 영향을 미친다는 연구 결과가 있다[6]. 본 연구에서는 열팽창계수만을 고려했을 때의 모델의 변형과 화학 수축, 열팽창계수 두 가지를 모두 고려한 변형(Displacement)을 알아보고 화학 수축이 뒤틀림에 영향을 주는지 알아보았다. 다음은 화학 수축의 변형률을 나타내는 식이다.
열팽창만 고려한 응력 거동과 화학수축과 열팽창을 고려한 시간에 따른 응력의 거동을 알아보았다. 적층각은 [0/45/-45]로 3ply를 적층한 모델의 응력을 알아보았고, 3방향으로 가장 변형이 많이 일어나는 지점에서의 node에서(Fig.

가설 설정

일찍이 잔류응력에 대한 연구에서는 화학 수축은 영향이 미비하기 때문에 무시할 수 있다는 가정으로 잔류응력을 연구하였다[5]. 그러나 최근의 연구에서는 화학 수축은 잔류응력이 발생하는데 상당한 영향을 미친다는 연구 결과가 있다[6].

제안 방법

해석결과 실험을 통해 측정한 뒤틀림에 비해 큰 오차가 발생하는 것을 볼 수 있다. Elastic property를 제외한 경화 도에 사용된 식과 물성치, 화학수축상수를 AS4/3501-6의 물성치를 사용하여 유한요소 해석을 실시하였으며 실험에 사용된 재료와는 차이가 있다. 그러나 적층각에 따른 뒤틀림의 경향성은 비슷함을 볼 수 있다.
정해석에 식 (9)~식 (15)을 사용하여 서브루틴에 적용, 해석하였다. 검증에 참고 한 기존 논문[5]과 같은 방법으로 경화도를 0.1에서 0.98까지 7가지 경우로 나누어 고정시킨 다음 시간에 따른 탄성계수의 거동을 확인하였다. 모델의 크기는 가로, 세로는 279.
실험값은 ㈜대한항공에서 6가지 적층모델의 동일한 크기의 시편 10개를 오토클레이브로 성형 후 발생한 변형을 측정한 결과를 제공받았다. 변형 측정 방법은 성형 후 변형된 평판의 가로부분(279.4 mm)을 종이에 볼펜으로 그린 후 (Fig. 8), 그려진 곡선의 양 끝점을 잇는 직선을 그린다. 이 후 종이에 그려진 곡선과 직선 사이의 거리를 버니어캘리퍼스로 측정하여 가장 차이가 큰 지점을 평판의 변형 최대값으로 정하였다(Fig.
경화반응은 주로 실험을 통한 경험식을 사용하며 최근에 사용되고 있는 수지의 물성치를 얻기에는 어려움이 있다. 본 연구는 실험에 사용된 재료의 경화도 관련 물성치를 대신하여 AS4/3501-6을 사용하였고, 경화율(Cure rate)은 식 (1)로 나타낸다[4].
9). 본 연구에서는 각 적층 모델당 10 번의 실험을 통해 나온 결과의 평균을 기준으로 하여 비교 하였다.
또한 화학 수축이 잔류응력과 뒤틀림에 끼치는 영향을 알아보았다. 본 해석에 앞서 기존의 논문을 통해[1-4] 검증을 거친 후 유한요소 해석을 실시하였다.
본 해석에 앞서 서브루틴이 ABAQUS에 적용이 되고, 해석을 수행할 수 있는지를 알아보기 위해 기존 논문과 같은 조건으로 해석을 수행하였다. 식 (1)~식 (20)을 바탕으로 서브루틴을 제작, 비교하여 해석에 신뢰성을 확보하였다.
실험에 사용된 복합재 모델의 적층은 6가지이며 1ply의 두께는 실험 후 시편두께의 평균을 계산 후 적층수로 나누어 적용하였다. Z-direction(Fig.
온도에 따른 경화도의 거동을 알아보기 위해 ABAQUS에서 Heat transfer를 사용하였으며 이 과정에서 경화도를 기존 논문[2]과 비교하였다. HETVAL에 사용된 유한요소 식은 2.
위의 결과를 종합하여 본 연구에서는 복합재의 고온 성형 시 발생하는 잔류응력의 원인을 찾아보고 상용 툴을 사용하여 뒤틀림을 예측할 수 있는 기법을 검증하였다.
8), 그려진 곡선의 양 끝점을 잇는 직선을 그린다. 이 후 종이에 그려진 곡선과 직선 사이의 거리를 버니어캘리퍼스로 측정하여 가장 차이가 큰 지점을 평판의 변형 최대값으로 정하였다(Fig. 9). 본 연구에서는 각 적층 모델당 10 번의 실험을 통해 나온 결과의 평균을 기준으로 하여 비교 하였다.
이를 ABAQUS에서 실험과 동일한 방법으로 측정하기 위해 node를 잇는 path를 설정하여 뒤틀림을 측정하였으며 다음과 같다(Fig. 10).
잔류응력을 유발하는 요인에는 여러 가지가 있으며 그 중 점탄성과 열팽창, 화학 수축은 중요한 요인이다. 이를 알아보기 위해 ABAQUS에 서브루틴을 제작, 적용하였으며 복합재료가 가지는 점탄성 성질을 고려한 응력의 변화 및 변형을 예측하였다. 결과를 통해 다음과 같은 결론을 얻을 수 있다.
열팽창만 고려한 응력 거동과 화학수축과 열팽창을 고려한 시간에 따른 응력의 거동을 알아보았다. 적층각은 [0/45/-45]로 3ply를 적층한 모델의 응력을 알아보았고, 3방향으로 가장 변형이 많이 일어나는 지점에서의 node에서(Fig. 4 (node 1)) 응력거동을 알아보았다.
1은 참고 논문[2]과 HETVAL을 사용한 경화도의 비교결과이다. 최고 온도를 각각 135℃, 163℃, 177℃로 나누어 경화도가 0.9에 도달하는 시간을 측정하였다. 가열속도는 2.
점탄성 해석을 하기 위해 ABAQUS 서브루틴을 사용하였으며 실험을 통해 얻은 결과와 비교하였다. 화학 수축이 뒤틀림에 미치는 영향을 알아보기 위해 두 가지 경우로 나누어 해석을 실시하였다. 두 가지 경우 모두 점탄성을 고려하였다.

대상 데이터

모델의 크기는 가로, 세로는 279.4 × 152.4(mm), 두께는 1ply당 0.1905(mm), 요소는 70 × 38(EA), 총 2660개로 모델링 하였으며 총 절점은 2769개, 요소유형은 S4R을 사용하였다.
15 K이다. 본 연구에서는 경화도에 사용된 재료의 고유상수는 3501-6(Epoxy)를 사용하였다[4].
본 해석에 사용된 복합재인 P2352W-19을 사용하였으며 물성치는 Table 4에 정리하였다.
실험값은 ㈜대한항공에서 6가지 적층모델의 동일한 크기의 시편 10개를 오토클레이브로 성형 후 발생한 변형을 측정한 결과를 제공받았다. 변형 측정 방법은 성형 후 변형된 평판의 가로부분(279.
해석에 사용된 모델은 평판으로 가로, 세로는 279.4 × 152.4(mm), 두께는 1 ply당 0.1905(mm), 요소는 70 × 38(EA) , 총 2660개로 모델링 하였으며 총 절점은 2769개, 요소유형은 DS4을 사용하였다.

데이터처리

점탄성 해석을 하기 위해 ABAQUS 서브루틴을 사용하였으며 실험을 통해 얻은 결과와 비교하였다. 화학 수축이 뒤틀림에 미치는 영향을 알아보기 위해 두 가지 경우로 나누어 해석을 실시하였다.

이론/모형

1905(mm), 요소는 70 × 38(EA) , 총 2660개로 모델링 하였으며 총 절점은 2769개, 요소유형은 DS4을 사용하였다. 본 연구에서는 3D-shell model을 사용하였고, 모든 ply에 균일한 온도가 적용된다. 균일한 온도 분포를 가지므로 경화도는 모든 요소에서 균일하게 적용된다.

성능/효과

(1) 잔류응력은 성형 중 냉각과정에서 발생하며 제품의 뒤틀림을 유발하게 된다. 점탄성은 잔류응력을 유발하는 요인 중 하나이며 온도와 경화도에 의존적이다.
(3) 점탄성의 성질을 가지는 복합재는 변형률을 계산할 시 화학 수축을 열팽창과 같이 고려하여 뒤틀림을 예측하는 것이 오차를 줄일 수 있는 방법이다. 화학수축은 고온의 성형에서 수지에 의해 일어나는 현상으로 제품내부에서 수축을 일으켜 변형을 야기한다.
화학수축을 고려하였을 경우 뒤틀림이 열팽창만을 고려한 해석에 비해 더 크게 일어나는 것을 볼 수 있다. 또한 열팽창만 고려한 해석결과에 비해 열팽창과 화학수축을 같이 고려한 해석에서 실험값대비 오차율을 적층각에 따라 최대 220% 줄일 수 있다는 것을 볼 수 있다. 복합재의 열-성형시 화학수축은 잔류응력에 많은 영향을 주며 뒤틀림을 더욱 크게 유발하는 요인인것을 Case1과 Case2의 해석결과에서 차이를 볼 수 있으며 화학수축은 잔류응력 해석을 할 때 고려해야 할 중요한 요인 중에 하나인 것을 알 수 있다.
해석결과 실험을 통해 측정한 뒤틀림에 비해 큰 오차가 발생하는 것을 볼 수 있다. Elastic property를 제외한 경화 도에 사용된 식과 물성치, 화학수축상수를 AS4/3501-6의 물성치를 사용하여 유한요소 해석을 실시하였으며 실험에 사용된 재료와는 차이가 있다.

후속연구

수지마다 경화도의 거동식은 다르며 실험을 바탕으로 물성치를 얻어야 한다. 본 연구에서는 에폭시 3501-6의 물성치를 사용하여 적층각에 대한 뒤틀림 경향성을 확인하였지만 실험에 사용된 수지의 물성치와 거동식을 연구 후적용한다면 예측에 오차를 줄일 수 있는 방법이 될 것이다.
ABAQUS에 점탄성을 적용한 해석으로 좋은 결과를 얻을 수 있었지만 열 성형에 있어 내부적인 요인만을 고려하였기 때문에 정확한 예측에는 어려움이 있었다. 현재 해석기 법에서 점탄성에 영향을 주는 내부적 요인인 습도, 수지의 유동과 외부적인 요인인 몰드의 형상 및 물성, 표면 상태 등을 고려한다면 열 변형 예측에 있어 오차를 줄일 수 있는 좋은 방법이 될 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	경화도가 미치는 영향은?	열 경화성수지(Thermosetting resin)는 고온, 고압으로 성형할 때 경화주기(Cure cycle)에 따라 성형을 한다. 경화 주기에 따라 복합재의 경화도(Degree of cure)가 결정되고, 경화도에 따라 완성품의 탄성계수(Young's modulus) 가 달라져 경화도가 낮을 경우 제품의 심각한 결함을 가져 온다. 또한 경화가 일어나는 동안 복합재의 섬유와 수지가 가지는 각각의 화학수축계수(Coefficient of chemical shrinkage)와 열팽창계수(Coefficient of thermal expansion) 의 차이는 점탄성과 함께 복합재의 잔류응력(Residual stress) 을 발생시켜 뒤틀림(Warpage), 스프링인(Spring-in)과 같은 변형을 일으킨다.
	복합재가 일반 금속에 비해 갖고 있는 장점은?	일반 금속에 비해 복합재는 강도 및 강성이 높고 무게는 가벼운 장점으로 인해 현재 항공 분야, 지상무기 분야, 스포츠 분야, 선박분야처럼 많은 분야에서 다양한 형태로 사 용되고 있다. 그 중 특히 고유가, 저 탄소 규제로 인해 무게 경량화가 필수적인 항공분야에서 가장 많이 쓰이고 있다.
	오토클 레이브를 통해 제품을 만드는 과정에서 탄소섬유 강화 복합재료는 어떠한 성질을 갖게 되는가?	고품질의 항공우주부품의 복합재를 만들기 위해서 오토클 레이브(Autoclave vacuum bag molding process)를 사용하며 적절한 고온과 고압으로 복합재를 성형하여 제품을 만들어 낸다. 이 과정에서 탄소섬유 강화 복합재료는 섬유(Fiber) 와 수지(Resin)의 열팽창계수와 화학수축계수가 다르며 온도에 따른 물성의 변화를 고려해야 하는 점탄성(Viscoelasticity) 성질을 가진다. 열 경화성수지(Thermosetting resin)는 고온, 고압으로 성형할 때 경화주기(Cure cycle)에 따라 성형을 한다.

참고문헌 (12)

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원문보기 상세보기
Kim, Y.K., and white, S.R., "Process-Induced Stress Relaxation Analysis of AS4/3501-6 Laminate," Journal of Reinforced Plastics and Composites, Vol. 16, No. 1, 1997, pp. 2-16.

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Lee, D.-G., Jung, M.-Y., Choi, J.-H., Jeon, S.-S., Jang, S.-H., and O, J.-H., Compsite Materials, Hong Pub. Co., KR, 2007.

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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