[논문]굴곡 형상 복합재 구조물의 스프링-인 예측

오재민; 김위대

doi:10.5139/jksas.2015.43.1.1

굴곡 형상 복합재 구조물의 스프링-인 예측
Prediction of Spring-in of Curved Laminated Composite Structure 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.43 no.1, 2015년, pp.1 - 7

오재민 (Department of Aerospace engineering, Pusan National University) , 김위대 (Department of Aerospace engineering, Pusan National University)

초록
AI-Helper

본 연구에서는 탄소섬유강화 복합재를 적층각과 적층순서에 따라 C-channel 형상에서 발생하는 스프링-인을 유한요소해석(ABAQUS)을 통해 예측하였다. 복합재 제작공정에서 냉각시의 큰 온도차 및 적층각에 따른 열팽창계수 및 화학적 수축계수의 차이로 인해 변형(스프링-인)이 발생한다. 이러한 변형은 제품의 품질과 직결되는 문제이며, 반드시 고려되어야 할 사항이다. 유한요소해석 시 CHILE모델과 화학적 수축을 고려한 서브루틴을 제작하여 적용하였으며, [0/X/Y/90]s case에 대해 X,Y를 $0{\sim}90^{\circ}$까지 변화시키며 각 case에 대한 스프링-인 발생량을 예측, 분석하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper predicts the spring-in effect of curved laminated composite structure for various stacking sequence using finite element analysis(ABAQUS). In composite manufacturing process, large temperature difference, different coefficient of thermal expansion and chemical shrinkage effect cause distortion of composite parts such as spring-in and warpage. Distortion of composite structure is important issue on quality of product, and it should be considered in manufacturing process. In finite element analysis, a CHILE(Cure Hardening Instantaneously Linear Elastic) model and chemical shrinkage effects are considered developing user subroutine in ABAQUS and some cases are simulated.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

그러므로 ABAQUS나 NASTRAN/PATRAN이 제공하는 기본적인 기능으로는 복합재 구조물의 열 변형을 정확하게 예측할 수 없다. 따라서 본 연구에서는 UMAT과 UEXPAN ABAQUS 서브루틴을 제작, 적용하여 경화도에 따른 물성치의 변화를 모사하고, 적층각과 적층 순서에 따른 C-channel 복합재 구조물의 스프링-인을 예측하고자 한다. 서브루틴은 해석에 앞서 기존의 연구결과를 통해 검증을 거친 후 해석에 적용하였으며, 해석 비교모델은 단일적층 및 대칭적층에 대해 적층각과 적층순서를 달리하여 선정하였다.
본 연구에서 C-channel 형상을 해석하기 위해, CHILE 모델을 적용한 UMAT과 경화도와 온도에 따른 열팽창과 화학 수축을 고려한 UEXPAN 서브루틴을 제작하였다. 따라서 서브루틴의 신뢰성을 확인하기 위해 Convergent사에서 개발한 복합재 구조해석 상용 해석 툴인 COMPRO의 해석결과와 비교하였다.

가설 설정

요소 개수는 총 7414개이며, 요소 타입은 C3D20을 사용하였다. 1ply 당 두께는 0.2mm 가정하였다.
은 온도와 경화도의 함수로 나타낼 수 있고, 결국 수지의 탄성계수는 경화도의 발달과 동일한 경향을 보이게 된다. 섬유의 탄성계수는 온도에 따른 변화가 수지에 비해 매우 미미하므로 항상 일정하다고 가정할 수 있다. 복합재의 탄성계수는 수지의 탄성계수와 섬유의 탄성계수를 Micromechanics model을 사용하여 구할 수 있다.
성형툴의 표면상태는 매우 매끄러운 상태라 가정하였으며, 복합재 구조물 전체에 동일한 온도분포를 가진다고 가정하였다. 복합재는 AS4/8552를 사용하였다.

제안 방법

Alfred C, et al.⁽¹⁾는 에폭시(Epoxy)의 온도에 따른 경화도(Degree of cure)와 점성(Viscosity)을 고찰 하였으며, 에폭시의 경화를 고려한 복합재료의 거동을 고찰하였다. White, et al.
White, et al.⁽²⁾은 탄소섬유강화 복합재료 중의 하나인 AS4/3501-6의 온도주기(Temperature cycle)에 따른 잔류응력을 점탄성을 고려하여 제시하였다. Fernlund, et al.
본 연구에서는 CHILE모델을 바탕으로 ABAQUS 서브루틴을 제작하여 적층각과 적층순서에 따른 C-channel의 스프링-인 발생을 예측하였다. COMPRO 해석결과와 참고 문헌의 실험 결과와 비교하여 해석결과의 신뢰성을 확보할 수 있었다.
따라서 본 연구에서는 UMAT과 UEXPAN ABAQUS 서브루틴을 제작, 적용하여 경화도에 따른 물성치의 변화를 모사하고, 적층각과 적층 순서에 따른 C-channel 복합재 구조물의 스프링-인을 예측하고자 한다. 서브루틴은 해석에 앞서 기존의 연구결과를 통해 검증을 거친 후 해석에 적용하였으며, 해석 비교모델은 단일적층 및 대칭적층에 대해 적층각과 적층순서를 달리하여 선정하였다.
실험은 복 합재 구조물의 형상, 성형툴의 표면상태와 재질, [0°]n, [0°/ 45°/ -45°/ 90°]ns 2가지 적층각 및 8ply, 16ply 2가지 두께에 대해 진행되었었다.

대상 데이터

C-channel 복합재 구조물의 해석은 Albert의 실험에서 사용된 [0°/ 45°/ -45°/ 90°]s를 바탕으로 적층각과 적층순서에 따라 비교모델을 선정하였다.
모델의 형상정보는 Fig. 3과 같으며 복합재는 AS4/8552를 사용하였다. 해당 물성치는 참고 문헌에서 참고하였다.
모델의 형상정보는 Fig. 3과 같으며 복합재는 AS4/8552를 사용하였다. 해당 물성치는 참고 문헌에서 참고하였다.
적층각은 [0° /90°]_4s 로 총 8ply를 적층하였다. 성형툴의 재질은 알루미늄을 사용하였다. 요소 개수는 복합재 부분은 48개, 성형툴 부분 또한 48개로 총 96개로 C3D20요소 타입을 사용하였다.
온도주기는 AS4/8552의 MRCC(Manufacturer's Recommended Cure Cycle)을 사용하였다.
성형툴의 재질은 알루미늄을 사용하였다. 요소 개수는 복합재 부분은 48개, 성형툴 부분 또한 48개로 총 96개로 C3D20요소 타입을 사용하였다. 해석 모델의 A, B, C 3개의 절점에서 응력과 열변형률, 변위를 측정하였으며, 결과는 Fig.
7과 같다. 요소 개수는 총 7414개이며, 요소 타입은 C3D20을 사용하였다. 1ply 당 두께는 0.
X와 Y는 각각 0°, 30°, 45°, 60°, 90°로 변화한다. 총 25개의 비교모델을 선정하였으며 스프링-인 측정 결과는 Table 2와 같다.

데이터처리

식 (4)에 따라서 경화도의 정확도는 해석 시 설정한 시간의 간격에 의존적이며, 시간 간격이 작을수록 정확도가 높아진다. 경화도의 검증에 사용된 온도주기와 경화도 결과 값은 Fig. 2와 같으며, 복합재 구조해석 상용 툴인 COMPRO의 결과 값과 비교하였다. COMPRO의 결과 값은 0.
본 연구에서 C-channel 형상을 해석하기 위해, CHILE 모델을 적용한 UMAT과 경화도와 온도에 따른 열팽창과 화학 수축을 고려한 UEXPAN 서브루틴을 제작하였다. 따라서 서브루틴의 신뢰성을 확인하기 위해 Convergent사에서 개발한 복합재 구조해석 상용 해석 툴인 COMPRO의 해석결과와 비교하였다. 해석결과 비교를 위해 Fig.
실제 실험과의 경향성 및 변형량 검증을 위해 Albert⁽¹²⁾의 연구 결과와 비교하였다. 실험은 복 합재 구조물의 형상, 성형툴의 표면상태와 재질, [0°]n, [0°/ 45°/ -45°/ 90°]ns 2가지 적층각 및 8ply, 16ply 2가지 두께에 대해 진행되었었다.

이론/모형

복합재는 수지의 경화도에 따라 물성치가 변화하며, 이는 CHILE 모델(Cure hardening instantaneously linear elastic model)을 사용하여 구현할 수 있다. 수지의 탄성계수는 다음과 같은 식을 통해 나타낼 수 있다⁽¹¹⁾.
섬유의 탄성계수는 온도에 따른 변화가 수지에 비해 매우 미미하므로 항상 일정하다고 가정할 수 있다. 복합재의 탄성계수는 수지의 탄성계수와 섬유의 탄성계수를 Micromechanics model을 사용하여 구할 수 있다. 따라서 복합재의 구성방정식을 다음과 같이 나타낼 수 있다.
8이상일 경우 고체(Solid) 상태이다. 본 연구에서는 AS4/8552를 사용하였고, 온도와 경화도에 따른 경화율(Cure rate)은 다음과 같이 나타낼 수 있다⁽¹¹⁾.

성능/효과

본 연구에서는 CHILE모델을 바탕으로 ABAQUS 서브루틴을 제작하여 적층각과 적층순서에 따른 C-channel의 스프링-인 발생을 예측하였다. COMPRO 해석결과와 참고 문헌의 실험 결과와 비교하여 해석결과의 신뢰성을 확보할 수 있었다. 또한 해석을 통해 [0°/ X° /Y° /90°]s 적층각을 가지는 C-channel 복합재 구조물의 경우, X가 30°~45°사이, Y가 45°~60°의 각을 가질 때, 스프링-인이 가장 작게 발생하는 것을 볼 수 있다.
2와 같으며, 복합재 구조해석 상용 툴인 COMPRO의 결과 값과 비교하였다. COMPRO의 결과 값은 0.828, 계산 결과는 0.829로 오차율 0.079%를 나타냈었다. 따라서 서브루틴에 적용된 경화도의 계산이 올바르게 적용되었다고 판단된다.
Y의 각도를 변화시킬 때, 모든 Case에서 Y의 각도가 60°일 때 가장 작은 스프링-인이 발생하였으며, 60° 이후 다시 스프링-인이 증가하는 경향을 관찰할 수 있었다.
8 Mpa로 계산되었다. 따라서 잔류 응력이 크게 남을수록 스프링-인의 발생이 크다는 것을 확인할 수 있었다.
587mm 팽창하였다. 이는 COMPRO 결과값인 반경 반향 변위 2.087mm, 원주 방향 변위 1.589mm와 비교할 때 잘 일치하는 것을 볼 수 있었다.
총 25개의 비교모델 중 스프링-인이 가장 작게 발생한 적층각은 [0° /30°/ 60° /90°]s 이며, 가장 크게 발생한 적층각은 [0°/ 90°/ 0°/ 90°]s 이었다.
측정값 과 해석결과가 다소 차이가 나는 것은 복합재 성형 시 표면 상태와 수지 유동, 복합재 구조물의 불균일한 온도분포 등 다양한 요인들에 의해 차이가 나는 것으로 판단된다. 하지만 두께 증가에 의한 스프링-인 감소, 적층각에 따른 스프링-인의 변화는 동일한 경향을 보이는 것을 확인할 수 있었다. 그러므로 서브루틴을 적용하여 해석한 결과 또한 충분히 신뢰할 만하다고 판단된다.
해석 결과, 최종 잔류응력은 0.94 Mpa, 열변 형률은 -0.021로 COMPRO 결과값과 각각 약 7%, 0.142%의 오차를 보였다. 변위의 경우, 반경 방향(Radial direction)으로 최대 2.

후속연구

복합재 구조물의 스프링-인을 유발하는 요인에는 적층각, 성형툴의 재질, 성형툴의 표면상태, 구조물의 형상, 적층 두께 등등 여러 가지 내적, 외적 요인들이 존재한다. 스프링-인을 유발하는 내적 요인 중 하나인 적층각과 적층 순서의 변화에 따른 스프링-인 발생량을 예측함으로써, 고가의 성형툴 제작 비용 절감, 제품 생산을 위한 설계 시간 단축 등 복합재 구조물 생산 비용 절감에 기 여함과 동시에 복합재 구조물 변형 연구에 기초 연구 자료로 활용될 수 있을 것으로 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	경화도란 무엇인가?	경화도는 수지의 경화정도를 나타내는 척도로서, 0~1의 범위를 가진다. 경화도가 0일 경우 수지는 액체(Liquid) 상태이며, 0.
	오토클레이브 공정은 어떠한 요인에 의해 제품의 변형이 발생하는가?	복합재 생산을 위해 다양한 공정이 개발되었으며, 그 중 오토클 레이브 공정은 고성능 복합재의 생산을 위한 표준기술로서 대부분의 고성능 복합재료 부품은 이를 통해 생산되고 있다. 고온, 고압을 사용하는 오토클레이브 공정의 특성상 수지(Resin)와 섬유 (Fiber)의 열팽창계수(Coefficient of thermal expansion) 차이, 수지의 화학 수축(Chemical shrinkage), 냉각과정에서의 큰 온도차이, 제품의 형상, 적층각과 적층순서 등 다양한 요인에 의해 제품의 변형이 발생한다. 특히 C-channel 구조물의 경우, Fig.
	사전에 유한요소해석을 통해 복합재 제작 과정 및 결과를 예측해야 하는 이유는 무엇인가?	이러한 제품의 변형으로 인해 공정 후 제품 형상이 초기 설계 형상과의 오차가 발생하게 된다. 이와 같은 오차를 허용 공차 내에서 최소화 시키기 위해 실제 제작을 반복하게 되면 몰드의 교체 비용과 제작 시간의 증가를 야기하며, 이는 곧 복합재 구조물의 생산효율을 저하시키는 요인이 된다. 따라서 사전에 유한요소해석을 통해 복합재 제작 과정 및 결과를 예측해 본다면 복합재 제작기간과 비용을 절감할 수 있다.

참고문헌 (14)

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Hyck Kwon, Seong-Soon Hwang, Won-Jong Choi, Jae-Hwan Lee, Jae-Hak Kim, "Cure Shrinkage Behavior of Polymer Matrix Composite according to Degree of Cure", The Journal of the Korean Society for Composite Materials, 2014, Vol.27, pp.90-95

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