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문제 정의
- 따라서, 본 연구에서는 돔 분리형 복합재 압력용기의 접착 체결부에 대한 점진적 파손평가를 위해 층간파괴인성과 균열선단부에서의 임계응력을 모두 사용함으로서 접합부의 파손과정을 예측 할 수 있는 CZM(Cohesive Zone Model)을 적용하고자 한다.(6) CZM을 사용하기 위해 필요한 층간파괴인성치(interlaminar fracture toughness)들은 각각 모드 I, 모드 II 그리고 혼합 모드(Mixed-mode)시험을 통해 직접 구하였다.
- 본 연구에서는 CZM을 이용한 복합재 압력용기 접착 체결부의 점진적 파손에 대한 연구를 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
- (1) 층간 파괴인성 시험은 실제 압력용기와 동일한 필라멘트 와인딩 공법을 사용하여 제작하였으며, 모드 I, 모드 II 그리고 혼합 모드에 대해 각각 층간파괴인성을 평가하였다. 그 결과, 모드 I은 약 0.
- (2) 접착제의 강도를 평가하기 위해서 이중 겹치기 이음 시험을 수행하여 접착제의 전단 강도 32MPa를 도출하였다. 또한, CZM을 돔 분리형 복합재 압력용기 접착 체결부에 적용하기 이전에 이중 겹치기 이음 시험 결과와 비교 검증을 수행하였다.
- (3) 최종적으로 검증된 CZM 물성 및 모델링을 적용하여 돔 분리형 복합재 압력용기 접착 체결부의 점진적 파손 평가를 수행하였다. 그 결과, 접착 체결부의 전방부에 6mm, 후방부에 5.
- (6) CZM을 사용하기 위해 필요한 층간파괴인성치(interlaminar fracture toughness)들은 각각 모드 I, 모드 II 그리고 혼합 모드(Mixed-mode)시험을 통해 직접 구하였다. CZM에 대한 해석신뢰도는 이중 겹치기 이음(double-lap joint) 시험을 통해 얻은 변위-하중선도를 비교하여 평가하였다.
- 또한, FM73의 허용응력(σult,I, σult,II, σult,III)은 접착 강도시험 결과 및 참고문헌(12~14)을 참고하였다. T700 카본/에폭시 물성은 일방향(uni-direction) 적층 복합재 시험을 통해 도출된 물성을 적용하였다. Table 2는 FM73의 물성을 보여주며, Table 3은 T700 카본/에폭시 복합재 물성을 나타낸다.
- 돔 분리형 복합재 압력용기에 적용되는 접착제의 접착 강도와 CZM의 해석 신뢰도를 평가하기 위해 이중 겹치기 이음(Double-lap joint) 시편을 제작하여 시험을 수행하였다. 복합재 재질은 T700 Carbon/Epoxy 프리프레그(prepreg)를 사용하였으며, [±27]13과 [±10]6로 각각을 필라멘트 와인딩 공법에 의해 제작한 후 에폭시 계열의 접착제인 FM73을 사용하여 접착하였다.
- 돔 분리형 복합재 압력용기의 접착 체결부에 CZM을 적용하기에 앞서, CZM에 적용된 물성 및 모델링 검증을 위해 이중 겹치기 이음 시험을 통해 얻은 접착 강도 결과와 비교검증을 수행하였다. 유한요소 모델에 사용된 요소는 복합재 부분에 3차원 솔리드 요소(C3D8R)를 사용하였으며, FM73 접착제 부분에는 두께가 없는 3D 형태의 접착요소(COH3D8)를 적용하여 모델링 하였다.
- 돔부와 헬리컬부 사이의 접착면에 검증된 접착요소 및 모델링 방법을 적용하여 복합재 압력용기의 유한요소 모델링을 수행하였다. 이때, 해석의 단순화를 위하여 압력용기 전방부 2°만을 고려한 순환대칭(cyclic symmetry)모델을 적용하였다.
- (2) 접착제의 강도를 평가하기 위해서 이중 겹치기 이음 시험을 수행하여 접착제의 전단 강도 32MPa를 도출하였다. 또한, CZM을 돔 분리형 복합재 압력용기 접착 체결부에 적용하기 이전에 이중 겹치기 이음 시험 결과와 비교 검증을 수행하였다. 이때, 변위에서 최대 4.
- 또한, FM73의 허용응력(σult,I, σult,II, σult,III)은 접착 강도시험 결과 및 참고문헌(12~14)을 참고하였다.
- 또한, 원통부 끝단은 압력용기의 길이방향(Z-axis)에 대한 대칭 경계조건을 부여하였으며, 보스 끝단에 반경(Ur) 및 각도방향(Uθ)의 변위를 고정하였다.
- 하중은 1mm/min 변위제어를 통해 부과하였다. 또한, 혼합 모드비(GI/GII)를 1/3, 1, 3으로 선정하여 혼합 모드에 대한 층간파괴인성을 평가하였다. Fig.
- 본 연구에서는 돔과 실린더를 각각 따로 제작한 후에 접착제를 사용하여 체결하는 방법을 채택하였다. 이러한 접착제에 의한 체결방법(adhesive bonding)은 구조물의 무게를 증가시키지 않으면서, 기계적 체결방법에 비해 넓은 면적에 하중을 분산시킬 수 있는 장점을 가지고 있다.
- 돔 분리형 복합재 압력용기의 접착 체결부에 CZM을 적용하기에 앞서, CZM에 적용된 물성 및 모델링 검증을 위해 이중 겹치기 이음 시험을 통해 얻은 접착 강도 결과와 비교검증을 수행하였다. 유한요소 모델에 사용된 요소는 복합재 부분에 3차원 솔리드 요소(C3D8R)를 사용하였으며, FM73 접착제 부분에는 두께가 없는 3D 형태의 접착요소(COH3D8)를 적용하여 모델링 하였다. 유한요소해석은 Abaqus V6.
- 또한, 혼합 모드의 경우 모드 II의 비율이 높아짐에 따라 층간파괴인성치가 높아짐을 확인하였다. 이때, 층간파괴인성 시험은 각 모드비별 4번씩 수행하였다. Table 1은 층간파괴인성 시험 결과를 보여준다.
- 돔 분리형 복합재 압력용기 체결부의 점진적파손에 의한 구조 안전성 평가 기준은 규정되어있지 않는 실정이다. 이에 따라, 본 연구에서는 접착 체결부의 파손율을 CZM에 의해 평가하였으며, 안전율 3으로 설정하여 약 66.67mm 이상을 파손 기준으로 정하였다.
- 일반적으로 접착제의 접착력은 접합되는 재료의 표면 상태에 따라 변화되므로, 본 연구에서는 시편의 표면처리를 위해 사포를 사용하여 접착면을 시편 적층 각도방향으로 연마하였다. 또한, 접착층의 두께를 균일하게 유지하기 위하여 Fig.
- CZM에 대한 해석신뢰도는 이중 겹치기 이음(double-lap joint) 시험을 통해 얻은 변위-하중선도를 비교하여 평가하였다. 최종적으로 검증된 CZM을 복합재 압력용기 접착 체결부에 적용하여 점진적 파손 해석을 통한 구조 안전성을 평가하였다.
- 층간파괴인성 시험은 모드 I, 모드 II 그리고 혼합 모드(Mixed-mode)에 대하여 수행하였고, 시험편은 각각 DCB(Double Cantilever Beam), ENF(End Notched Flexure) 그리고 MMB(Mixed Mode Bending)을 사용하였다. DCB 및 MMB 시험편의 크기는 150×25mm이며, ENF 시험편의 크기는 125×25mm로 제작하였다.
- 90N/mm의 층간파괴인성이 측정되었다. 혼합 모드는 혼합 모드비(GI/GII)를 1/3, 1, 3으로 선정하여 층간파괴인성을 평가하였으며 각각 1.69N/mm, 1.10N/mm 그리고 0.85N/mm의 층간파괴인성이 도출되었다.
대상 데이터
- DCB 및 MMB 시험편의 크기는 150×25mm이며, ENF 시험편의 크기는 125×25mm로 제작하였다.
- 모드 시험은 Instron 5848 Micro Tester를 사용하였으며, 모드 I은 ASTM D5528,(7) 모드 II와 혼합 모드는 ASTM D6671/D6671M(8)에 의거하여 시험을 수행하였다. 하중은 1mm/min 변위제어를 통해 부과하였다.
- 복합재 재질은 T700 Carbon/Epoxy 프리프레그(prepreg)를 사용하였으며, [±27]13과 [±10]6로 각각을 필라멘트 와인딩 공법에 의해 제작한 후 에폭시 계열의 접착제인 FM73을 사용하여 접착하였다.
- 이때, 이형제를 삽입하여 초기균열을 생성하였다. 본 연구에 사용된 복합재 압력용기는 T700 계열의 탄소섬유가 적용되었고, 1,700mm의 직경을 갖는다.
- 이때, 해석의 단순화를 위하여 압력용기 전방부 2°만을 고려한 순환대칭(cyclic symmetry)모델을 적용하였다. 유한요소모델의 요소와 절점은 각각 16,800개와 28,348개로 구성되었다. Fig.
- 유한요소 모델에 사용된 요소는 복합재 부분에 3차원 솔리드 요소(C3D8R)를 사용하였으며, FM73 접착제 부분에는 두께가 없는 3D 형태의 접착요소(COH3D8)를 적용하여 모델링 하였다. 유한요소해석은 Abaqus V6.11을 사용하였다. 이때, FM73과 복합재 경계면은 타이드 접촉조건(tied contact condition)으로 연결하였다.
- 층간파괴인성 평가를 위한 시험편은 실제 복합재 압력용기 제작과 같은 필라멘트 와인딩 공정에 의해 헬리컬부(±10°)와 돔부(±27°)를 성형한 후 체결부에 FM73 접착제를 사용하여 시험편을 제작하였다.
데이터처리
- (6) CZM을 사용하기 위해 필요한 층간파괴인성치(interlaminar fracture toughness)들은 각각 모드 I, 모드 II 그리고 혼합 모드(Mixed-mode)시험을 통해 직접 구하였다. CZM에 대한 해석신뢰도는 이중 겹치기 이음(double-lap joint) 시험을 통해 얻은 변위-하중선도를 비교하여 평가하였다. 최종적으로 검증된 CZM을 복합재 압력용기 접착 체결부에 적용하여 점진적 파손 해석을 통한 구조 안전성을 평가하였다.
이론/모형
- FM73에 적용된 물성은 층간파괴인성 시험을 통해 도출된 결과를 적용하였으며, 접착요소의 강성(KI, KII, KIII)은 참고문헌(11)을 참고하여 적용하였다.
- 결함 성장평가는 에너지 기반의 파손평가 중 하나인 Benzeggagh-Kenane(B-K criterion) 기준식(16)을 적용하여 점진적 파손 평가를 수행하였다. 이는 혼합모드 하중이 적용된 경우에 층간분리 진전 평가에 널리 사용되고 있다.
- 복합재 압력용기에 적용되는 하중은 독립적인 모드 I, 모드 II, 그리고 모드 III 하중이 아닌 혼합모드 하중이 발생할 것으로 판단되어 모드사이의 상호 작용이 고려되어야 한다. 따라서, 본 연구에서 접착제 초기 파손평가는 Cui 등(15)이 제안한 이차 공칭응력 파손 기준식(quadratic nominal stress criterion)을 적용하였는데, 이 파손기준식은 초기 파손 발생 이후에는 결함성장(damage evolution)식에 따라 점진적 파손이 진행된다는 이론이다. 이차 공칭응력 파손기준식은 식 (5)와 같이 표현된다.
- 모드 I 층간파괴인성은 가장 보수적인 층간파괴인성을 얻을 수 있는 수정된 보 이론(modified beam theory)인식 (1)을 통해 도출하였으며, 모드 II 층간파괴인성은 단순보 이론(simple beam theory)인 식 (2)를 적용하였다.
- 이때, 해석의 단순화를 위하여 압력용기 전방부 2°만을 고려한 순환대칭(cyclic symmetry)모델을 적용하였다.
- 접착 체결부의 접착강도 시험은 R&B 社의 Unitech M을 사용하였으며, ASTM D3528(10) 규정에 의거하여 1.3mm/min의 변위제어를 통해 수행하였다.
성능/효과
- CZM을 적용한 이중 겹치기 이음 접착강도의 해석 결과, 최대 변위는 약 0.87mm 발생하였으며, 이때의 최대 하중 약 24,400N이 발생하였다. 이는, 이중 겹치기 접착강도 시험결과와 변위에서 최대 4.
- (1) 층간 파괴인성 시험은 실제 압력용기와 동일한 필라멘트 와인딩 공법을 사용하여 제작하였으며, 모드 I, 모드 II 그리고 혼합 모드에 대해 각각 층간파괴인성을 평가하였다. 그 결과, 모드 I은 약 0.76N/mm, 모드 II는 약 7.90N/mm의 층간파괴인성이 측정되었다. 혼합 모드는 혼합 모드비(GI/GII)를 1/3, 1, 3으로 선정하여 층간파괴인성을 평가하였으며 각각 1.
- (3) 최종적으로 검증된 CZM 물성 및 모델링을 적용하여 돔 분리형 복합재 압력용기 접착 체결부의 점진적 파손 평가를 수행하였다. 그 결과, 접착 체결부의 전방부에 6mm, 후방부에 5.5mm의 전체 접착 체결부 길이(200mm)의 약 5.8%의 점진적 파손이 발생하였다. 이는 접착 체결부 끝단에 발생하는 응력 집중으로 인한 접착체결부의 최소한의 균열 길이이며, 복합재 압력용기 접착체결부의 구조안전성을 확보하였다.
- 34MPa에서 초기 균열이 발생함을 확인할 수 있었다. 또한, B-K 기준식을 통해 결함성장을 확인한 결과 13.79MPa에서 전방부와 후방부에 3mm의 균열이 발생하였으며, 최대 압력인 17.24MPa에서 전방부에 6mm, 후방부에 5.5mm의 점진적 파손이 발생함을 확인할 수 있었다. 이때, 복합재 압력용기 접착 체결부의 파손 양상은 모드 II(shear mode)에 의한 영향이 가장 큰 것으로 나타났다.
- 9N/mm가 나타남을 확인하였다. 또한, 혼합 모드의 경우 모드 II의 비율이 높아짐에 따라 층간파괴인성치가 높아짐을 확인하였다. 이때, 층간파괴인성 시험은 각 모드비별 4번씩 수행하였다.
- 복합재 압력용기 접착체결부의 점진적 파손 해석 결과, 약 10.34MPa에서 초기 균열이 발생함을 확인할 수 있었다. 또한, B-K 기준식을 통해 결함성장을 확인한 결과 13.
- 여기서, GC = GI+Gshear, Gshear = GII+GIII을 나타내며, 모드 I, II 그리고 혼합 모드 층간파괴인성 결과를 통해 η=6.94 임을 도출하였다.
- 87mm 발생하였으며, 이때의 최대 하중 약 24,400N이 발생하였다. 이는, 이중 겹치기 접착강도 시험결과와 변위에서 최대 4.4%의 오차가 발생하여 비교적 잘 일치한 결과가 도출됨을 확인하였다. Fig.
- 또한, CZM을 돔 분리형 복합재 압력용기 접착 체결부에 적용하기 이전에 이중 겹치기 이음 시험 결과와 비교 검증을 수행하였다. 이때, 변위에서 최대 4.4%의 오차가 발생하였으며, 비교적 잘 일치함을 확인하였다.
- 이중 겹치기 이음 해석을 통해 FM73 접착제의 파손모드는 Fig. 9와 같이 접착제의 위아래 끝단에서부터 가운데로 점진적으로 파손이 진행함을 확인하였다.
- 해석 결과, 전방부와 후방부에 발생한 파손은 전체 접착 체결부 길이(200mm)의 약 5.8%이므로, 복합재 압력용기 접착 체결부의 구조안전성을 만족하였다. 실제 설계 최대 내압인 17.
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