[논문]복합재 판스프링의 재료특성에 따른 스프링 강성변화와 초기 파단하중 예측

오성하; 최복록

doi:10.3795/ksme-a.2014.38.12.1345

복합재 판스프링의 재료특성에 따른 스프링 강성변화와 초기 파단하중 예측
Prediction of Spring Rate and Initial Failure Load due to Material Properties of Composite Leaf Spring 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.38 no.12, 2014년, pp.1345 - 1350

오성하 (맥소프트(주) 기술연구소) , 최복록 (강릉원주대학교 기계자동차공학부)

초록
AI-Helper

본 연구에서는 자동차 판스프링을 대상으로 유리섬유 복합재의 적용을 위한 해석적 방법들을 제시하였다. 즉, 판스프링의 정적거동에 영향을 미치는 복합재 재료의 구성 성분비와 섬유각의 변화 등을 고려한 해석을 수행하였다. GFRP 복합재의 기계적 성질들은 ASTM 표준시험 방법을 따라서 직접 측정하였으며, 역해석 방법을 통해서 섬유와 수지 각각의 직교이방성과 등방성 성질들을 시험결과들로부터 재구성하였다. 다음으로 섬유의 방향과 섬유와 수지의 함유량 비와 같은 주요 재료변수들의 변화에 따른 스프링 계수들의 변화를 분석하였다. 마지막으로 초기 파괴하중을 예측하기 위해서 선형 탄성해석과 파손조건식을 이용해서 점진적 파괴해석을 수행하였으며, 그 결과 최초의 손상부위는 전단응력에 의해 판스프링의 모서리 부위에서 발생하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presented analysis methods for adapting E-glass fiber/epoxy composite (GFRP) materials to an automotive leaf spring. It focused on the static behaviors of the leaf spring due to the material composition and its fiber orientation. The material properties of the GFRP composite were directly measured based on the ASTM standard test. A reverse implementation was performed to obtain the complete set of in-situ fiber and matrix properties from the ply test results. Next, the spring rates of the composite leaf spring were examined according to the variation of material parameters such as the fiber angles and resin contents of the composite material. Finally, progressive failure analysis was conducted to identify the initial failure load by means of an elastic stress analysis and specific damage criteria. As a result, it was found that damage first occurred along the edge of the leaf spring owing to the shear stresses.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 자동차 판스프링을 대상으로 유리섬유 복합소재 적용시의 재료특성 변화에 따른 역학적 거동과 파손하중을 예측하기 위해서 유한요소해석과 점진적 파괴해석을 수행하였다. 먼저, 유리섬유 복합소재의 기본적인 기계적 성질들을 얻기 위해서 시편 시험을 수행하였으며, 이 같은 시험 결과들을 이용해서 섬유와 수지 각각에 대한 기계적 성질들을 역으로 계산할 수가 있을 것이다.

제안 방법

그러나 섬유의 함유량이 변화될 경우 플라이 시편의 기계적 성질도 또한 변경됨으로 실험적으로 접근하기 위해서는 매우 많은 시간과 비용이 소비되어야 한다. 따라서 본 연구에서는 Table 2에서 나타낸 섬유와 수지 각각의 기계적 성질과 식 (1)~(7) 또는 상용 프로그램을 이용해서 섬유와 수지의 함유량 비가 다양하게 변할지라도 쉽게 플라이의 기계적 성질들을 계산할 수가 있으며, 이같이 얻어진 재료 특성값들을 유한요소 해석에서 입력 데이터로 활용하였다.
그러나 일반적으로 복합재 구조물은 여러 장의 플라이를 섬유각도별로 적층해서 원하는 성능을 얻어야하므로 플라이의 구성원인 섬유와 수지의 특성을 파악하는 것은 매우 중요하다. 따라서 본 연구에서는 복합재 구조물의 재질특성 최적화 및 구조해석 용도로 널리 사용되고 있는 상용프로그램인 ASC/GENOA의 MCQ-Composites⁽⁹⁾를 활용해서 플라이의 구성 성분인 섬유와 수지의 기계적 성질들을 역으로 계산하였다. 아래 식 (1)∼(6)은 섬유와 수지의 기계적 성질과 플라이의 특성과의 관계를 나타내는 것들이며, 식 (7)은 섬유와 수지의 함유량을 나타내는 관계식으로 기존 수식에서 수정된 형태이다.
복합재 구조물의 초기 파단하중을 예측하기 위해서 선형탄성 해석을 통해 점진적 파괴해석을 수행하였다. 파손조건은 응력 기반의 파손조건식을 이용하였으며, 섬유와 수지 각각의 수직 및 전단응력과 박리(delamination)에 의한 전단응력이 재료의 허용강도에 도달하면 파손이 일어난다는 것이다.
복합재 판스프링에 대해서 재료의 설계인자변화에 따른 스프링 강성들을 계산하였으며, 또한 점진적 하중증가에 의해 초기 파손하중을 예측하였으며, 요약하면 아래와 같다.
대표적인 플라이의 기계적 성질들은 Table 5에서 보는 바와 같이 섬유의 함유량이 증가할수록 거의 선형적으로 증가하는 경향을 가지고 있다. 이 같이 계산되어진 각 FVR에 따라 재료의 변화된 성질들을 이용해서 앞에서와 동일한 과정으로 복합재 판스프링의 구조해석을 수행하였으며, 이를 통해 하중과 변위와의 관계들을 얻을 수가 있다.
복합재 구조물의 초기 파단하중을 예측하기 위해서 선형탄성 해석을 통해 점진적 파괴해석을 수행하였다. 파손조건은 응력 기반의 파손조건식을 이용하였으며, 섬유와 수지 각각의 수직 및 전단응력과 박리(delamination)에 의한 전단응력이 재료의 허용강도에 도달하면 파손이 일어난다는 것이다. 점진적 파괴해석은 하중의 크기를 점차 증가시켜 가면서 주어진 하중크기에서 응력을 계산하게 되며 파괴조건에 도달하는지를 고려해서 반복적으로 해석하는 과정이다.
판스프링의 중요한 역학적 특성인 굽힘강성에 의한 스프링 상수와 복합재의 섬유 적층방향과의 상관성을 분석하였다. 복합재의 경우 섬유의 배열 방향은 굽힘강성에 직접 영향을 미치는 탄성계수의 크기를 크게 변화시킬 수 있으므로, 구조물의 형상과 하중의 방향을 고려해서 적층방향을 결정하는 것은 복합소재 구조물 설계 시에 매우 중요하다.

대상 데이터

본 연구에서 대상으로 한 복합재 판스프링(1,350L×75W×27.5t)의 구조는 Fig. 1과 같다.

성능/효과

(2) GFRP 판스프링에서 섬유의 적층방향과 함유량의 변화에 따른 여러 기계적 물성들을 이용해서 복합재질의 판스프링 설계시 요구되어지는 스프링 강성을 해석적인 방법을 통해 얻을 수 있었다. 본 연구에서 대상으로 한 판스프링의 경우 굽힘변형을 받는 구조물이므로 섬유각이 0°일 경우 최대 굽힘강성을 나타낼 것이다.
(3) 복합재로 구성된 구조물의 초기 파손하중을 예측하기 위해서 점진적 파괴해석을 수행하였으며, 그 결과 초기 손상이 나타나는 파손모드는 전단응력에 의해 발생하였으며, 초기 파손하중 크기는 약 68,590 N으로 예측되었다.

후속연구

(1) 단방향 시편시험을 통해서 측정한 플라이의 물성들을 이용해서 선형 보정관계를 통해 단방향 재료시험 결과와 1% 미만의 오차를 나타내는 섬유와 수지 각각의 기계적 성질들을 역으로 추정하였으며, 이를 통해서 목표로 하는 성능을 만족하도록 Ply들의 섬유방향과 섬유 함유량 등을 최적화 할 수 있을 것이다.
본 연구에서는 자동차 판스프링을 대상으로 유리섬유 복합소재 적용시의 재료특성 변화에 따른 역학적 거동과 파손하중을 예측하기 위해서 유한요소해석과 점진적 파괴해석을 수행하였다. 먼저, 유리섬유 복합소재의 기본적인 기계적 성질들을 얻기 위해서 시편 시험을 수행하였으며, 이 같은 시험 결과들을 이용해서 섬유와 수지 각각에 대한 기계적 성질들을 역으로 계산할 수가 있을 것이다. 한편, 계산되어진 섬유와 수지의 물성들을 조합해서 직교이방성의 9가지 재료상수들을 포함하는 복합재 물성을 구성할 수가 있으며, 섬유의 방향뿐만 아니라 섬유와 수지의 함유량의 비를 여러 가지로 변화시킴으로써 각각에 대한 기계적 성질들의 변화를 예측할 수가 있다.
한편, 계산되어진 섬유와 수지의 물성들을 조합해서 직교이방성의 9가지 재료상수들을 포함하는 복합재 물성을 구성할 수가 있으며, 섬유의 방향뿐만 아니라 섬유와 수지의 함유량의 비를 여러 가지로 변화시킴으로써 각각에 대한 기계적 성질들의 변화를 예측할 수가 있다. 이 같은 결과들을 이용해서 판스프링에서 재료특성의 변화가 스프링의 굽힘강성에 영향을 미치는 효과를 유한요소 해석을 통해서 구할 수 있으며,⁽⁵⁾ 또한 하중을 점진적으로 증가시키면서 판스프링에 발생하는 응력결과를 이용해서 초기 손상이 발생하는 파단하중도 예측할 수가 있다.^(6,7)

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	유리섬유(GFRP) 나 탄소섬유(CFRP)와 같은 복합소재의 장점은?	자동차의 경량화에 대한 요구가 증가하면서 기존 철강소재의 부품을 복합소재와 같은 초경량 소재로 대체하기 위한 연구가 완성차 업계를 중심으로 여러 분야에서 활발히 진행되고 있다.(1,2) 특히, 유리섬유(GFRP) 나 탄소섬유(CFRP)와 같은 복합소재의 경우 기존 철강재에 비해서 비강도와 비강성이 매우 우수할 뿐만 아니라 제조공법이나 직조방법, 그리고 섬유와 수지의 함유량을 조절함으로써 재료의 기계적 성질들을 크게 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.(3,4)
	복합재 판스프링에 대해서 재료의 설계인자변화에 따른 스프링 강성계산과 초기 파손 하중 예측 연구 결과는?	(1) 단방향 시편시험을 통해서 측정한 플라이의 물성들을 이용해서 선형 보정관계를 통해 단방향 재료시험 결과와 1% 미만의 오차를 나타내는 섬유와 수지 각각의 기계적 성질들을 역으로 추정하였으며, 이를 통해서 목표로 하는 성능을 만족하도록 Ply들의 섬유방향과 섬유 함유량 등을 최적화 할 수 있을 것이다. (2) GFRP 판스프링에서 섬유의 적층방향과 함유량의 변화에 따른 여러 기계적 물성들을 이용해서 복합재질의 판스프링 설계시 요구되어지는 스프링 강성을 해석적인 방법을 통해 얻을 수 있었다. 본 연구에서 대상으로 한 판스프링의 경우 굽힘변형을 받는 구조물이므로 섬유각이 0°일 경우 최대 굽힘강성을 나타낼 것이다. (3) 복합재로 구성된 구조물의 초기 파손하중을 예측하기 위해서 점진적 파괴해석을 수행하였으며, 그 결과 초기 손상이 나타나는 파손모드는 전단응력에 의해 발생하였으며, 초기 파손하중 크기는 약 68,590 N으로 예측되었다.
	점진적 파괴해석은 어떤 과정을 거치는가?	파손조건은 응력 기반의 파손조건식을 이용하였으며, 섬유와 수지 각각의 수직 및 전단응력과 박리(delamination)에 의한 전단응력이 재료의 허용강도에 도달하면 파손이 일어난다는 것이다. 점진적 파괴해석은 하중의 크기를 점차 증가시켜 가면서 주어진 하중크기에서 응력을 계산하게 되며 파괴조건에 도달하는지를 고려해서 반복적으로 해석하는 과정이다.(11) 여기서 일부 요소에서 파손이 일어날 경우 구조물의 강성이 저하될 것이며, 이 경우 파손모드에 대응하는 재료의 특성을 다시 계산해서 다음 단계의 해석을 진행하게 된다.

참고문헌 (11)

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Kang, M. S., Park, H. S., Choi, J. H. and Koo, J. M., 2012, "Prediction of Fracture Strength of Woven CFRP Laminates According to Fiber Orientation," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A, Vol. 36, No. 8, pp. 881-887.

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ASTM Annual Book of Standards, 2001.
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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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