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제안 방법
- Fig. 2(a)는 인장시험기로 Universal Testing Machine (50T) UH- F500KNI (SHIMADZU)를 사용하였고, SHIMADZU 인장 프로그램을 통하여 1 mm/min의 속도로 인장하는 변위제어 방식의 인장시험을 총 3회 실시하였다.
- Fig. 2(b)는 피로시험기로 SAGINOMIYA를 사용하였으며, 표점거리 145 mm인 피로시험용 판재 시편을 Load control에서 정현파형(sinusoidal wave)으로 진동수(frequency)는 3 Hz, 응력비(stress ratio)는 0.1로 피로시험을 하였다. 시편의 최종 파단은 시편이 20 mm이상 변위가 생겼을 때로 정의하였다.
- 하지만 피로강도에 대한 연구가 미비한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 2가지 직조방식에 따른 CFRP 복합재료에 대하여 인장시험과 피로피험을 수행하여 기계적 성질을 비교하고 피로 손상으로 감소된 재료의 잔류 강도(residual strength), 잔류 강성(residual stiffness)과 더불어 유한요소해석기법(finite element analysis)을 이용하여 직교이방성 CFRP에 대해 예측된 피로수명과 시험결과에 따른 피로수명을 비교하였다 (Lian, et al., 2010).
- 6과 같이 한쪽 끝단은 고정지지조건을 부과하고 반대쪽 끝단에 시편에 작용한 하중을 부과하였다. 본 연구에서는 MSC Patran에서 복합재료의 직조형태를 구현하기 위해 0°과 90° layer 을 교차로 적층하여 각 layer 의 응력을 도출하여 파손모드를 예측하였다.
- 본 연구에서는 평직 CFRP 복합재료에 대하여 인장강도시험과 피로시험을 수행하였다. 피로 시험을 통해 측정된 피로수명과 피로 누적 손상에 의한 재료 물성치값과 2-D 유한요소해석을 이용하여 예측된 피로수명을 비교하였다.
- 직조된 탄소섬유강화 복합재료의 기계적 물성을 확보하고 피로시험의 하중 크기를 결정하기 위하여 인장시험을 수행하였다.
- 본 연구에서는 평직 CFRP 복합재료에 대하여 인장강도시험과 피로시험을 수행하였다. 피로 시험을 통해 측정된 피로수명과 피로 누적 손상에 의한 재료 물성치값과 2-D 유한요소해석을 이용하여 예측된 피로수명을 비교하였다.
- 시편의 최종 파단은 시편이 20 mm이상 변위가 생겼을 때로 정의하였다. 피로시험을 수행 후 S-N 선도를 도출하고 각각의 피로수명 결과에 대해 20%, 40%, 60%, 80% 피로누적을 시킨 후 인장시험을 통해 재료의 인장강도가 얼마나 감소되었는지 측정하였다 (Shokr ieh, et al., 2000a; 2000b).
대상 데이터
- 시편의 형상은 두께 방향의 치수가 작기 때문에 2D 쉘 요소(shell element )로 모델링되었다. 메쉬(mesh)는 Quad4을 사용하였으며 요소의 크기는 시편의 두께와 같고 개수는 1625개, 절점(node)의 개수는 1764개이다.
- 복합소재의 거동을 고찰하기 위해 탭 부분을 제외한 시편의 두께 t =2.0mm, 폭 w=25.0mm이고 길이 L=250.0mm로 유한요소 모델링을 수행하였다. 시편의 형상은 두께 방향의 치수가 작기 때문에 2D 쉘 요소(shell element )로 모델링되었다.
- 본 연구에 사용된 섬유 직조방식은 능직과 주자직이다. 섬유는 탄소, L-T의 12K, T700급, 수지는 에폭시, 성형은 진공적층 공법을 사용하였다.
이론/모형
- Fiber failure, Matrix failure, Delamination failure가 있고 이 파손모드를 어떻게 판정할 것인가를 결정해야 한다. 따라서 Hashin-type fatigue failure criteria와 Ye-delamination criterion을 이용하여 위 3가지 파손 모드를 정의한다. 본 연구에서는 2D해석을 통하여 파손 해석을 수행하기 때문에 시편의 두께방향인 z방향의 응력을 고려하지 않는다.
- 본 연구에서는 2D해석을 통하여 파손 해석을 수행하기 때문에 시편의 두께방향인 z방향의 응력을 고려하지 않는다. 따라서 z방향의 응력해석이 필요한 Ye-delaminat ion cr it er ion를 제외하고 Hashin-type fat igue failure criteria만 고려하였다 (Hashin, 1981).
- 본 해석에서 상용 유한요소해석 프로그램인 MSC Nastran과 MSC Patran을 사용하였다. 해석에 적용된 탄소/에폭시 복합소재(CFRP, twill과 satin weave)의 물성치는 기존에 실험된 물성치를 인용하여 Table 2에 정리하였다.
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