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문제 정의
- 이러한 현상을 최소화하기 위하여 설계단계에서 형상 왜곡 현상을 예측할 수 있어야 한다. 본 논문에서는 이러한 노력의 일환으로 이종 접합 복합재를 구성하는 복합재료들의 열팽창계수를 측정하고 이를 이용하여 이종 접합 복합재의 열변형을 예측하는 과정을 정리하였다. 먼저 DIC 시스템을 이용하여 CE와 SP 시편의 길이 방향의 열팽창계수를 측정하였다.
가설 설정
- 12에서 수행하였다. CE와 SP는 완전 접합되었다고 가정하였으며, 시편의 바닥이 시편 고정 치구에 완전 고정된 조건을 가정하였다. 그리고 가열 속도가 0.
- CE와 SP는 완전 접합되었다고 가정하였으며, 시편의 바닥이 시편 고정 치구에 완전 고정된 조건을 가정하였다. 그리고 가열 속도가 0.5 ℃/min 정도로 느리기 때문에, 시편 내부의 온도가 동일하게 유지됨을 가정하였다. 각 재료의 열팽창계수는 실험을 통해 획득한 열팽창계수를 사용하였다(Table 2)해석에 사용된 재료의 주요 물성치는 Table 3과 같다.
제안 방법
- CE와 SP를 코본딩(co-bonding)기법으로 접합한 이종 접합 복합재 시편을 제작하였다. 굽힘 변형 측정이 용이하도록 제작 가능한 범위 내에서 시편 두께를 얇게 가공하였다(Fig.
- DIC 시스템을 이용하여 시편의 정밀한 변위를 측정하였다. 그리고 온도 환경 제어를 위해서 시편 주변 온도를 균일하게 유지하며 가열되도록 환경챔버를 사용하였고, 측정되는 변위 결과에 시편 내부에서 발생되는 온도 편차로 인한 영향을 최소화하도록 가열 속도는 일정하게 유지하며 시험을 수행하였다.
- Pan Bing의 연구 결과[16]에서 본 논문의 열팽창 측정 시스템을 이용하여 스테인리스 스틸의 열팽창계수 측정결과와 재료 핸드북 상의 열팽창 계수를 비교하였다. 그 결과 DIC 시스템의 측정불확도는 최대 0.
- 5℃/min로 가열 후 유지하도록 하였다. 가열조건은 이종 복합재 시편의 성형온도를 고려하여 결정하였다. 디지털 영상은 25℃부터 130℃까지 시편 온도 5℃ 상승시 마다 촬영하였다.
- 5℃/min로 가열 후 유지하도록 하였다. 그리고 시편의 온도를 정확히 측정하면서 변형 측정의 영향을 최소화하기 위하여 Fig. 8과 같이 온도 측정용 시편을 따로 마련하여 온도를 측정하였다. 시편의 굽힘 변형을 정의하기 위해서 시편의 CE와 SP가 접합된 선을 따라 13개의 X-방향 변위를 DIC 시스템에서 측정하였다.
- DIC 시스템을 이용하여 시편의 정밀한 변위를 측정하였다. 그리고 온도 환경 제어를 위해서 시편 주변 온도를 균일하게 유지하며 가열되도록 환경챔버를 사용하였고, 측정되는 변위 결과에 시편 내부에서 발생되는 온도 편차로 인한 영향을 최소화하도록 가열 속도는 일정하게 유지하며 시험을 수행하였다.
- 이러한 형상 왜곡은 구조물의 조립성과 공력특성에 영향을 미치기 때문에 이종 접합 복합재를 사용한 구조물 개발시 고려되어야 할 부분이다. 따라서 본 연구에서는 우선 CE와 SP 단일 소재 복합재 시편의 열변형을 DIC를 이용하여 측정하여 시편의 길이방향 열팽창 특성을 획득하고, 이를 이종 접합 복합재 시편의 열변형 유한요소 해석에 적용하였다. 해석 결과의 검증을 위하여 각각의 단일 복합재료 CE와 SP를 접합한 이종 접합 복합재 시편을 제작하고, 이 시편의 열 굽힘 변형 측정을 DIC를 이용하여 수행한 후, 측정 결과와 유한요소 해석 결과와 상호 비교분석하였다.
- 3에서 볼 수 있듯이, 평균 선형 열팽창계수와 달리 시편 열팽창의 비선형을 표현할 수 있으며, 적절한 온도 범위를 선택함으로써 충분히 정확한 열팽창계수를 획득할 수도 있다. 따라서 본 연구에서는 할선 열팽창계수를 사용하여 각 재료의 열팽창계수를 정의하였다. 이 때, 기준 온도와 시작 온도(Tinit) 모두 25℃를 사용하였다.
- 이종 접합 복합재는 길이 방향 열팽창계수의 차이로 인해 굽힘 변형이 주로 발생하게 된다. 따라서 이러한 굽힘 변형을 유발할 수 있도록 시편과 실험을 구성하여 해석 결과와 비교할 수 있게 하였다.
- 본 논문에서는 이러한 노력의 일환으로 이종 접합 복합재를 구성하는 복합재료들의 열팽창계수를 측정하고 이를 이용하여 이종 접합 복합재의 열변형을 예측하는 과정을 정리하였다. 먼저 DIC 시스템을 이용하여 CE와 SP 시편의 길이 방향의 열팽창계수를 측정하였다. SP 시편의 경우 온도에 따라 열팽창 계수가 큰 폭(약 11 ppm/K → 7 ppm/K)으로 감소하는 현상을 확인하였다.
- 5와 같이 수평으로 고정하여 시험을 실시하였다. 변위 측정 정밀성을 높이기 위해서 시편의 한쪽 끝은 접착 면적을 최소화하여 접착제로 고정시키고 변형이 진행되는 동안 시편과 고정치구 사이에 발생 가능한 마찰 영향을 최소화하기 위해서 두 개의 롤러를 사용하였다. 시험 온도 조건은 25℃부터 130℃까지 가열속도 0.
- 본 시험에서는 800℃ 이상 고온에서도 패턴의 변화가 없는 흰색과 검정색의 고온용 스프레이를 사용하여 시편 표면에 불규칙적인 패턴을 생성하여 DIC 시스템으로 시편의 변형을 인식할 수 있도록 하였다. 시편은 정밀한 측정을 위해 Fig.
- 본 절에서는 앞서 구한 열팽창계수를 이용하여 CE와 SP가 접합된 복합재의 열변형을 해석하고, 이종 접합 복합재의 열변형 실험을 통해 그 결과를 검증하였다. 이종 접합 복합재는 길이 방향 열팽창계수의 차이로 인해 굽힘 변형이 주로 발생하게 된다.
- 8과 같이 온도 측정용 시편을 따로 마련하여 온도를 측정하였다. 시편의 굽힘 변형을 정의하기 위해서 시편의 CE와 SP가 접합된 선을 따라 13개의 X-방향 변위를 DIC 시스템에서 측정하였다. 이 때 기준온도 25℃ 시편의 형상을 기준으로 각 점의 변위를 계산하였다.
- 디지털 영상은 25℃부터 130℃까지 시편 온도 5℃ 상승시 마다 촬영하였다. 시험 시 발생하는 시편의 강체운동은 DIC 시스템에서 자체적으로 보정하도록 하였다. 시험 중 DIC 시스템의 정확도를 확보할 수 있게, 카메라주변 온도를 시험이 종료 시까지 상온으로 유지하였다.
- 7). 이종 접합 복합재 열변형 실험은 재료의 열팽창 시험과 달리 시편을 수직으로 세워 굽힘 변형을 측정하였다. 실험 조건은 25℃부터 130℃까지 가열속도 0.
- 이종 접합 복합재의 열변형 해석은 3차원 변위와 온도를 계산할 수 있는 4차원 8절점 요소인 C3D8T 요소 780개로 구성된 모델을 이용하여 Abaqus 6.12에서 수행하였다. CE와 SP는 완전 접합되었다고 가정하였으며, 시편의 바닥이 시편 고정 치구에 완전 고정된 조건을 가정하였다.
- 해석 시 기준 온도는 실험과 동일하게 25℃ 로 하였으며, 5단계의 온도 변화 (ΔT=20, 40, 60, 80, 100℃) 조건에 대하여 해석을 수행한 후 시편의 굽힘 변형을 획득하였다.
- 이런 DIC 기법을 활용하기 위해 시편의 표면에 대비가 높은 스페클 패턴을 생성시켜 디지털 영상에서 Facet으로 인식되도록 하여야 한다. 흰색과 검정색 고온용 스프레이를 사용하여 불규칙적인 점으로 구성된 스페클 패턴을 형성하여 사용하였다.
대상 데이터
- CE와 SP 시편 모두 각각 탄소와 실리카 페브릭의 적층 형태로 한국화이바에서 제작하였으며, 사용된 재료는 Table 1에서 명기된 것과 같다. CE는 시편의 길이방향으로 페브릭이 적층된 것에 반해 SP는 적정 각도로 기울어진 형태로 적층되었다.
- DIC 시스템으로 GOM사의 ARAMI2050 Pixel의 해상도를 가지는 두 대의 디지S 시스템을 사용하였다. ARAMIS 시스템은 2448×털 카메라와 촬영된 이미지를 처리하여 변형을 계산할 컴퓨터 한 대로 구성된다.
- 이를 통해 가열속도를 일정하게 유지하며 입력된 온도 프로파일에 따라 시편을 가열시키는 것이 가능하고, 일정 온도변화 간격마다 시편 영상을 촬영할 수 있도록 트리거 신호를 DIC 시스템에 송출하게 해준다. 본 시험에서는 STS304로 제작된 시편 고정치구가 사용되었다. 시험 중 치구의 열변형으로 인해 발생되는 시편의 강체운동은 측정 후 결과 분석 시 DIC 시스템의 알고리즘을 사용하여 효과적으로 보정 가능하다.
- 본 연구에서 다룬 이종 접합 복합재는 경량이며 강도 특성이 우수한 Carbon/Epoxy(CE)와 삭마 특성이 우수하며 높은 강도, 낮은 열팽창계수를 가지는 Silica/Phenolic(SP)이 접합된 구조를 가진다. 이 때 CE와 SP은 서로 다른 열팽창 특성을 가져 온도 변화에 따라 이종 접합 복합재 구조의 형상 왜곡이 발생한다.
- 환경챔버는 정면에 관측창이 설치되어 있고 최대 300 ℃까지 가열 가능한 Sunsystem사의 EC13HA를 사용했다(Fig. 2). 챔버 내부에 전기코일로 가열된 열을 송풍팬을 이용하여 강제 대류 시켜 내부 온도를 균일하게 유지시킨다.
데이터처리
- SP 시편의 경우 온도에 따라 열팽창 계수가 큰 폭(약 11 ppm/K → 7 ppm/K)으로 감소하는 현상을 확인하였다. 측정된 열팽창계수를 이용하여 CE와 SP가 접합된 이종 접합 복합재의 굽힘 변형 해석을 수행하고 이를 실험 결과와 비교하였다. 해석을 통해 이종 접합 복합재의 굽힘 변형이 비교적 정확하게 예측되었다.
- 따라서 본 연구에서는 우선 CE와 SP 단일 소재 복합재 시편의 열변형을 DIC를 이용하여 측정하여 시편의 길이방향 열팽창 특성을 획득하고, 이를 이종 접합 복합재 시편의 열변형 유한요소 해석에 적용하였다. 해석 결과의 검증을 위하여 각각의 단일 복합재료 CE와 SP를 접합한 이종 접합 복합재 시편을 제작하고, 이 시편의 열 굽힘 변형 측정을 DIC를 이용하여 수행한 후, 측정 결과와 유한요소 해석 결과와 상호 비교분석하였다.
이론/모형
- 또한 디지털 영상을 기반으로 하기 때문에 충분한 변형 측정 정확도를 보유하고 있으면서도 영상 보정을 쉽게 할 수 있어 취급이 용이하다는 장점이 있다. 따라서 본 연구에서는 관심 온도 영역에서 복합재료 시편의 열팽창 특성을 측정할 수 있으며, 이종 접합 복합재 구조물의 다차원 형상 왜곡을 파악할 수 있는 DIC 기법을 사용하였다.
성능/효과
- 해석을 통해 이종 접합 복합재의 굽힘 변형이 비교적 정확하게 예측되었다. 결론적으로 이종 접합 복합재를 구성하는 재료의 정확한 열팽창계수 획득을 통해 이종 접합 복합재 구조의 제작 및 운용 시 예상되는 형상 왜곡을 예측할 수 있음을 확인하였다. 한편 열평창계수뿐만 아니라 각 재료의 기계적 강성 또한 온도에 따라 변화할 수 있다.
- 5 ppm/K으로 유지됨에 반해서 SP의 열팽창계수는 온도에 따라 감소(11 ppm/K → 7 ppm/K)하기 때문으로 판단된다. 결론적으로 이종 접합 복합재를 구성하는 재료의 정확한 열팽창계수 획득을 통해 이종 접합 복합재의 변형을 정확히 예측할 수 있었다.
- Pan Bing의 연구 결과[16]에서 본 논문의 열팽창 측정 시스템을 이용하여 스테인리스 스틸의 열팽창계수 측정결과와 재료 핸드북 상의 열팽창 계수를 비교하였다. 그 결과 DIC 시스템의 측정불확도는 최대 0.3 ppm/℃로 나타나 고온 영역에서도 정밀한 열팽창계수 측정이 가능한 특징을 가진다.
- 6에서 알 수 있듯이 CE보다 SP의 열팽창계수가 3배 이상 큰 것이 확인되었다. 그리고 SP의 열팽창계수는 온도가 증가함에 따라 큰 폭으로 줄어드는 것을 시험을 통해 확인할 수 있었다. Table 2에는 열팽창계수 측정 결과를 표로 정리하였다.
- 9에서 확인할 수 있듯이 측정된 열팽창계수를 이용하여 해석한 이종 접합 복합재의 굽힘 변형이 실험을 통해 측정한 결과와 유사하였다. 따라서 열팽창계수 측정이 정확하게 수행되었으며, 해석 조건 또한 적절한 것으로 판단된다. 한편 해석 결과에서 주목할 점은 굽힘 변형이 온도 변화에 선형적이지 않음이다.
- 본 시험에서는 STS304로 제작된 시편 고정치구가 사용되었다. 시험 중 치구의 열변형으로 인해 발생되는 시편의 강체운동은 측정 후 결과 분석 시 DIC 시스템의 알고리즘을 사용하여 효과적으로 보정 가능하다. 향후 수행될 시험에 대해서는 온도변화에 따른 변형이 상대적으로 작은 인바(Invar)를 사용하여 고정치구를 제작할 계획이다.
- 측정된 열팽창계수를 이용하여 CE와 SP가 접합된 이종 접합 복합재의 굽힘 변형 해석을 수행하고 이를 실험 결과와 비교하였다. 해석을 통해 이종 접합 복합재의 굽힘 변형이 비교적 정확하게 예측되었다. 결론적으로 이종 접합 복합재를 구성하는 재료의 정확한 열팽창계수 획득을 통해 이종 접합 복합재 구조의 제작 및 운용 시 예상되는 형상 왜곡을 예측할 수 있음을 확인하였다.
후속연구
- 한편 열평창계수뿐만 아니라 각 재료의 기계적 강성 또한 온도에 따라 변화할 수 있다. 따라서 추가 시험을 통해 온도에 따른 각 재료의 기계적 강성을 획득하면 보다 정확한 이종 접합 복합재의 열변형 예측이 가능할 것으로 판단된다.
- 시험 중 치구의 열변형으로 인해 발생되는 시편의 강체운동은 측정 후 결과 분석 시 DIC 시스템의 알고리즘을 사용하여 효과적으로 보정 가능하다. 향후 수행될 시험에 대해서는 온도변화에 따른 변형이 상대적으로 작은 인바(Invar)를 사용하여 고정치구를 제작할 계획이다.
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