본 연구에서는 AFP 장비를 이용하여 대형 복합재 스파 구조를 제작하고, 스파 구조에서 가장 취약한 부분인 코너부(Corner radius)에 대한 굽힘강도 시험과 해석을 수행하였다. 국내에서 AFP를 이용한 제품 제작기술이 보편화되지 않은 초기단계임을 고려하여, 복합재 스파 제작을 위한 맨드릴 설계 및 해석에서 구조 검증시험에 이르기까지의 전 과정을 요약, 정리하였다. 맨드릴 설계에서는 자중과 장비 하중에 의한 처짐, 응력, 열변형, 고유진동수 등을 고려하였다. 대상 시제품은 대형 C-스파이고 AFP로 제작한 후 오토클레이브에서 성형하였다. 제품의 성능 확인을 위해 스파 코너부에서 시편을 채취하여 4점 굽힘시험과 비선형 강도해석을 수행하여 제작된 구조물이 이론적 구조강도에 근접하는 강도를 보이는지 점검하였다. 연구결과, 제안된 공정을 사용하여 제작한 대형 C-스파의 코너부는 최초층 파손이론을 사용한 이론적 강도대비 20% 이내의 차이를 보이는 것을 확인하였고, 향후 양산용 대형 복합재 구조물 제작에 적용될 수 있는 가능성을 확인하였다.
본 연구에서는 AFP 장비를 이용하여 대형 복합재 스파 구조를 제작하고, 스파 구조에서 가장 취약한 부분인 코너부(Corner radius)에 대한 굽힘강도 시험과 해석을 수행하였다. 국내에서 AFP를 이용한 제품 제작기술이 보편화되지 않은 초기단계임을 고려하여, 복합재 스파 제작을 위한 맨드릴 설계 및 해석에서 구조 검증시험에 이르기까지의 전 과정을 요약, 정리하였다. 맨드릴 설계에서는 자중과 장비 하중에 의한 처짐, 응력, 열변형, 고유진동수 등을 고려하였다. 대상 시제품은 대형 C-스파이고 AFP로 제작한 후 오토클레이브에서 성형하였다. 제품의 성능 확인을 위해 스파 코너부에서 시편을 채취하여 4점 굽힘시험과 비선형 강도해석을 수행하여 제작된 구조물이 이론적 구조강도에 근접하는 강도를 보이는지 점검하였다. 연구결과, 제안된 공정을 사용하여 제작한 대형 C-스파의 코너부는 최초층 파손이론을 사용한 이론적 강도대비 20% 이내의 차이를 보이는 것을 확인하였고, 향후 양산용 대형 복합재 구조물 제작에 적용될 수 있는 가능성을 확인하였다.
A large composite spar was manufactured using an automatic fiber placement (AFP) machine. To verify its structural performance, the weakest part of the structure, which is called 'corner radius', was tested under bending and examined by finite element analysis. Since the application of AFP machine t...
A large composite spar was manufactured using an automatic fiber placement (AFP) machine. To verify its structural performance, the weakest part of the structure, which is called 'corner radius', was tested under bending and examined by finite element analysis. Since the application of AFP machine to composite structure fabrication is still in early stage in Korea, this paper presents the summary of whole process for manufacturing composite spar using AFP machine from mandrel design and analysis to verification test. The deflection and stress by mandrel weight and AFP machine force, thermal deformation and natural frequency were all examined for mandrel design. The target structure was composite C-spar and cured in an autoclave. Test results were compared with nonlinear finite element analysis results to show that the structure has the strength close to the theoretical value. It was confirmed that the corner radius of the spar manufactured by AFP process showed deviation less than 20% compared with first ply failure strength. The results indicate that the AFP technology could be used for large scale composite structure production in the near future.
A large composite spar was manufactured using an automatic fiber placement (AFP) machine. To verify its structural performance, the weakest part of the structure, which is called 'corner radius', was tested under bending and examined by finite element analysis. Since the application of AFP machine to composite structure fabrication is still in early stage in Korea, this paper presents the summary of whole process for manufacturing composite spar using AFP machine from mandrel design and analysis to verification test. The deflection and stress by mandrel weight and AFP machine force, thermal deformation and natural frequency were all examined for mandrel design. The target structure was composite C-spar and cured in an autoclave. Test results were compared with nonlinear finite element analysis results to show that the structure has the strength close to the theoretical value. It was confirmed that the corner radius of the spar manufactured by AFP process showed deviation less than 20% compared with first ply failure strength. The results indicate that the AFP technology could be used for large scale composite structure production in the near future.
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문제 정의
이에 경상대학교와 한국항공, 경남 TP 등에서는 AFP를 이용한 복합재 구조물 개발[4] 연구의 연속사업으로 민항기용 대형 복합재 C-스파를 AFP로 제작하기 위한 연구를 수행하였다. 본 논문에서는 AFP로 대형 스파를 제작하기 위한 맨드릴(Mandrel)의 설계와 제작에서부터, 이를 이용해 제작한 복합재 구조물의 강도평가에 이르기까지의 전체 과정을 정리하였다.
따라서 맨드릴의 변형은 복합재 구조물의 최대 허용공차 이내여야 한다. 본 연구에서 맨드릴의 처짐 및 응력 해석은 세가지 하중조건, 즉 자중, 자중과 장비에 의한 집중하중의 조합하중, 자중과 장비에 의한 분포하중의 조합하중에 대해 수행하였다. 맨드릴의 자중은 총 17,000 kg이며, 이를 유한요소의 모든 절점들에 균일하게 가하였다.
따라서 국내의 기업들이 복합재 구조 개발 분야에서 선진국을 따라 잡기 위해서는 AFP를 이용한 제작 기술을 서둘러 확보할 필요가 있다. 이에 경상대학교와 한국항공, 경남 TP 등에서는 AFP를 이용한 복합재 구조물 개발[4] 연구의 연속사업으로 민항기용 대형 복합재 C-스파를 AFP로 제작하기 위한 연구를 수행하였다. 본 논문에서는 AFP로 대형 스파를 제작하기 위한 맨드릴(Mandrel)의 설계와 제작에서부터, 이를 이용해 제작한 복합재 구조물의 강도평가에 이르기까지의 전체 과정을 정리하였다.
가설 설정
총 175,089개의 10 절점 3차원 고체요소를 사용하였고, 절점의 수는 340,867개이다. 맨드릴 양단은 AFP에 의해 지지되며, 원형 지지부를 따라 총 18개의 볼트로 고정되므로 유한요소모델에서의 경계조건은 고정지지(Fixed)로 가정하였다.
오토클레이브 밖 상온은 25°C로 가정하였다.
맨드릴의 자중은 총 17,000 kg이며, 이를 유한요소의 모든 절점들에 균일하게 가하였다. 장비에 의한 집중하중은 AFP의 헤드가 복합재 테이프를 맨드릴에 적층하면서 누르는 힘인데, 본 연구에서는 제작사에서 제공한 데이터를 바탕으로 2,940 N으로 가정하였다. 분포하중은 실제 AFP의 헤드가 복합재 테이프를 적층할 때 한 절점에 집중되는 집중하중이 아닌 면적에 가해지는 특징을 고려한 조건이다.
제안 방법
다음으로 성형 후 탈형(De-mold)을 위해 맨드릴 위에 이형 필름(Release Film)을 부착한 후 AFP 장비로 프리프레그 테이프를 적층한다. AFP 헤드가 복합재료를 적층하는 중에 적층각을 확인하는 육안 검사를 수행하였고(하단 우측 사진), 진공백(Vacuum Bagging) 과정을 거친 후 오토클레이브에서 성형한다. 실제 AFP로 적층을 하는 상세한 사진을 Fig.
12에 보인 바와 같이 시험 결과 하중-변위 선도는 비선형으로 나타났고 코너부 중앙에서 층간분리가 발생한 이후에는 추가적인 하중을 지지하지 못하였다. ASTM D6415에서 규정하는 곡률보(Curved beam)의 강도 계산식 (1)을 통해 얻은 강도값(CBS)을 층간강도(Interlaminar Strength) 계산식 (2)에 대입하여 층간강도값을 계산하였다.
본 연구에서는 AFP 자동 적층 장비를 이용하여 두꺼운 항공기 날개 구조물인 C-스파를 제작하고 시험과 해석을 통해 구조물의 강도를 평가하였다. C-스파 제작을 위한 맨드릴은 구조강으로 제작하였고, 정적 해석, 열변형 해석, 고유진동수 해석을 수행하여 설계 타당성을 검증하였다. 제작된 복합재 C-스파 구조물의 강도를 평가하기 위해 구조물에서 가장 취약한 코너부에서 시편을 채취하여 4점 굽힘 시험을 수행하고, 해석결과와 비교하였다.
시험에서 얻은 구조 강도값이 구조물의 설계 강도값과 일치하는지를 검증하기 위해 유한요소해석을 수행하여 거동과 파손하중의 연계성을 살펴보았다. MSC.Marc의 8절점 육면체 고체요소를 사용하여 비선형 구조해석을 수행하였다. 구조물의 대칭성을 이용하여 절반만을 모델링하였고, 치구와 시편의 접촉도 고려하였다.
Marc의 8절점 육면체 고체요소를 사용하여 비선형 구조해석을 수행하였다. 구조물의 대칭성을 이용하여 절반만을 모델링하였고, 치구와 시편의 접촉도 고려하였다. Fig.
따라서 본 연구에서는 사용하는 복합재의 최고 성형온도인 180°C에서의 열변형 해석을 수행하였다.
맨드릴의 구조재인 SS 400의 물성치는 Table 2에 나타내었다. 맨드릴 구조물의 복잡한 형상을 고려하여, 유한요소모델링시 형상의 영향을 덜 받으면서 상대적으로 정확한 해석 결과를 얻을 수 있는 10 절점 3차원 고체요소[10]를 사용하여 요소망(Mesh)을 생성하였다. 맨드릴의 유한요소모델은 Fig.
이를 확인하게 위해 정적 해석에서 사용한 유한요소모델을 이용하여 고유진동수 해석(Modal Analysis)를 수행하였다. 모드 4까지 해석을 수행하였고, 모드 1에서 4까지의 고유진동수는 각각 36.39 Hz, 62.77 Hz, 98.95 Hz, 152.66 Hz로, 맨드릴의 공진 위험은 없는 것을 확인하였다. Fig.
본 연구에서는 AFP 자동 적층 장비를 이용하여 두꺼운 항공기 날개 구조물인 C-스파를 제작하고 시험과 해석을 통해 구조물의 강도를 평가하였다. C-스파 제작을 위한 맨드릴은 구조강으로 제작하였고, 정적 해석, 열변형 해석, 고유진동수 해석을 수행하여 설계 타당성을 검증하였다.
따라서 자중에 의한 처짐, 열변형, AFP에 의한 외부하중, 진동특성 등을 고려한 설계가 이루어져야 한다. 본 연구에서는 MSC.Nastran을 이용해 정적, 동적 구조해석과 열변형 해석을 수행하였다. 맨드릴의 구조재인 SS 400의 물성치는 Table 2에 나타내었다.
Pb는 하나의 핀에 의해 가해지는 적용하중이다. 시편과 치구는 ASTM D6415에서 규정하는 치수와 동일하게 설정하여 시험을 수행하였다.
시험에서 얻은 구조 강도값이 구조물의 설계 강도값과 일치하는지를 검증하기 위해 유한요소해석을 수행하여 거동과 파손하중의 연계성을 살펴보았다. MSC.
C-스파 제작을 위한 맨드릴은 구조강으로 제작하였고, 정적 해석, 열변형 해석, 고유진동수 해석을 수행하여 설계 타당성을 검증하였다. 제작된 복합재 C-스파 구조물의 강도를 평가하기 위해 구조물에서 가장 취약한 코너부에서 시편을 채취하여 4점 굽힘 시험을 수행하고, 해석결과와 비교하였다. 시험결과 시편의 중앙 내부에서의 층간분리가 주된 파손모드로 나타났고, 이는 Ye 파손기준식을 사용한 유한요소해석을 통해서도 확인할 수 있었다.
대상 데이터
AFP로 복합재 구조물을 제작하기 위해서는 맨드릴의 설계가 중요하다. 본 연구에서 맨드릴은 SS 400 구조용 압연 강재를 사용하여 제작하였다. 아래의 Fig.
스파의 길이는 플랜지 폭의 15배로 3000 mm이다. 사용한 재료는 Toray 사의 탄소섬유 복합재료인 일방향 프리프레그 T-800S/3900-2B[9]이고, 적층순서는 [45/90/-45/0]6S이다. 경화된 후 한 층의 공칭두께는 0.
10과 같다. 시편의 직선부(Loading Leg, L)는 90 mm, 너비(W)는 25 mm, 두께(t)는 9.12 mm이다. 시험 셋업 구성도에서 실린더 형상의 핀 직경(D)은 9.
12 mm이다. 시험 셋업 구성도에서 실린더 형상의 핀 직경(D)은 9.85 mm, dX, dy는 상, 하부 핀 중심에서 수평, 수직 거리이며 각각 19 mm, 38 mm이다. lt는 상부 핀 중심 간의 거리로 40 mm, lb는 하부 핀 중심 간의 거리로 80 mm, l0는 시편 직선부와 상, 하부 핀 중심 간의 거리이다.
3에 보였다. 총 175,089개의 10 절점 3차원 고체요소를 사용하였고, 절점의 수는 340,867개이다. 맨드릴 양단은 AFP에 의해 지지되며, 원형 지지부를 따라 총 18개의 볼트로 고정되므로 유한요소모델에서의 경계조건은 고정지지(Fixed)로 가정하였다.
이론/모형
본 연구에서 사용한 AFP의 경우 구조물의 고유진동수가 최소 15 Hz 이상일 것을 요구하고 있다. 이를 확인하게 위해 정적 해석에서 사용한 유한요소모델을 이용하여 고유진동수 해석(Modal Analysis)를 수행하였다. 모드 4까지 해석을 수행하였고, 모드 1에서 4까지의 고유진동수는 각각 36.
제작된 C-스파 구조물의 구조적 품질을 확인하기 위한 방법으로, 구조물에서 가장 취약한 부분인 코너부(Corner radius) 시편을 채취하여 곡률 굽힘시험을 ASTM D 6415[12]에 따라 수행하였다. 4점 굽힘시험을 위한 시편(a)과 시험 구성도(b)는 Fig.
성능/효과
세 가지 하중조건을 고려하여 정적 해석을 수행한 결과, 미세한 차이지만 가장 큰 처짐과 응력을 보이는 경우는 자중과 분포하중의 조합하중이 가해지는 경우로 확인되었다. von-Mises 응력의 최대값은 맨드릴 지지부에서 발생하였고, 그 값은 19.6 MPa로서 항복응력 245 MPa에 비해 충분히 작은 값을 보였다. 최대 처짐은 맨드릴의 중앙에서 나타났고, 그 값은 0.
복합재 테이프의 폭인 8 mm 간격으로 4개의 절점에 가한 분포하중은 각각 735 N이 된다. 세 가지 하중조건을 고려하여 정적 해석을 수행한 결과, 미세한 차이지만 가장 큰 처짐과 응력을 보이는 경우는 자중과 분포하중의 조합하중이 가해지는 경우로 확인되었다. von-Mises 응력의 최대값은 맨드릴 지지부에서 발생하였고, 그 값은 19.
Table 3에 5개 시편의 파손강도값과 계산한 층간강도값을 나타내었다. 시험 파손하중은 평균 5.1 kN, ASTM D6415 규정의 면내 층간강도 계산 식을 통해 계산한 면내 층간강도값은 평균 66 MPa이다.
제작된 복합재 C-스파 구조물의 강도를 평가하기 위해 구조물에서 가장 취약한 코너부에서 시편을 채취하여 4점 굽힘 시험을 수행하고, 해석결과와 비교하였다. 시험결과 시편의 중앙 내부에서의 층간분리가 주된 파손모드로 나타났고, 이는 Ye 파손기준식을 사용한 유한요소해석을 통해서도 확인할 수 있었다. 최초층 파손이론을 사용하여 층간분리 파손을 예측한 결과 시험 결과와 20%의 차이로 비교적 잘 일치하는 결과를 얻었다.
5 mm/min를 따르되 파손이 1분에서 10분 사이에 일어나는 것을 원칙으로 하였다. 총 5개 시편에 대한 시험을 수행하였고, 코너부 중앙에서 층간 분리(Delamination)가 먼저 발생하고 하중이 가해짐에 따라 외부로 층간분리가 진전되는 것을 확인하였다. Fig.
시험결과 시편의 중앙 내부에서의 층간분리가 주된 파손모드로 나타났고, 이는 Ye 파손기준식을 사용한 유한요소해석을 통해서도 확인할 수 있었다. 최초층 파손이론을 사용하여 층간분리 파손을 예측한 결과 시험 결과와 20%의 차이로 비교적 잘 일치하는 결과를 얻었다. 이로부터 현재 설치된 AFP 장비를 이용하여 제작한 대형 복합재 C-스파 구조물의 기본적인 구조적 건전성을 확인하였으며, 추후 일반공정 시편과의 강도 비교와 비파괴 검사 등을 거쳐 실용화 제품 생산에 적용할 수 있을 것으로 판단된다.
해석 결과 자중 방향으로 0.014 mm, 맨드릴 횡 방향으로 0.016 mm, 맨드릴 길이 방향으로 0.034 mm의 변형이 발생하였다. 맨드릴의 양단이 고정되어 있지만 구조물이 완전한 대칭이 아니므로 양단 사이에서는 미세한 길이방향 열변형이 발생한 것으로 판단된다.
후속연구
최초층 파손이론이 실제 구조물의 강도를 과도하게 낮게 평가하는 것이 일반적이라는 점을 고려하더라도, AFP로 제작된 구조물이 이론적으로 예측된 파손하중보다 20% 가량 더 높은 값을 보이는 것은 제작 기술 관점에서 의미있는 일이라 할 수 있다. 보다 정확한 구조 성능 평가를 위해서는 향후 일반적 적층방법으로 제작한 코너부 시편에 대한 시험 결과와의 비교나, 손상영역법 등을 사용한 정교한 파손하중 예측이 필요할 것으로 생각된다.
최초층 파손이론을 사용하여 층간분리 파손을 예측한 결과 시험 결과와 20%의 차이로 비교적 잘 일치하는 결과를 얻었다. 이로부터 현재 설치된 AFP 장비를 이용하여 제작한 대형 복합재 C-스파 구조물의 기본적인 구조적 건전성을 확인하였으며, 추후 일반공정 시편과의 강도 비교와 비파괴 검사 등을 거쳐 실용화 제품 생산에 적용할 수 있을 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
AFP장비의 사용이 늘고 있는 이유는 무엇인가?
이러한 복합재료 구조물은 중간재인 프리프레그(Prepreg)를 여러 각도로 적층하여 제작한다. 그런데 프리프레그를 손으로 적층할 경우 원하는 위치에 정확한 각도로 적층하는 것이 어려울 뿐만 아니라 제작 과정 중에 오염이 발생하기 쉬운 문제점이 있다[1]. 이러한 이유로 인해 최근에는 1 cm 내외의 폭을 가진 복합재 테이프를 다축제어가 가능한 장치를 이용하여 원하는 위치와 각도를 정확히 제어하는 AFP(Automatic Fiber Placement) 장비의 사용이 늘고 있다[2,3].
맨드릴의 처짐 및 응력 해석에 적용된 3가지 하중조건은 무엇인가?
따라서 맨드릴의 변형은 복합재 구조물의 최대 허용공차 이내여야 한다. 본 연구에서 맨드릴의 처짐 및 응력 해석은 세가지 하중조건, 즉 자중, 자중과 장비에 의한 집중하중의 조합하중, 자중과 장비에 의한 분포하중의 조합하중에 대해 수행하였다. 맨드릴의 자중은 총 17,000 kg이며, 이를 유한요소의 모든 절점들에 균일하게 가하였다.
AFP 장비의 장점은 무엇인가?
이러한 이유로 인해 최근에는 1 cm 내외의 폭을 가진 복합재 테이프를 다축제어가 가능한 장치를 이용하여 원하는 위치와 각도를 정확히 제어하는 AFP(Automatic Fiber Placement) 장비의 사용이 늘고 있다[2,3]. AFP 장비를 사용할 경우 항공기의 동체나 날개의 외피와 같이 두께가 변하면서도 다양한 형상과 크기의 컷아웃(Cutout)이 존재하는 구조물을 정확한 치수로 제작할 수 있고, 제작 과정상의 결함을 최소화할 수 있다.
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