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문제 정의
- 본 연구에서는 적층각도를 지닌CT 시험편 내의 크랙 거동에 대한 구조해석을 수행하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
제안 방법
- 탄소섬유 특유의 질긴 인장력은 이를 굳히기 위한 수지와 만나 같은 무게의 금속에 비해 높은 강도를 지니게 되는데, 여기에 섬유설계를 통한 적층구조를 적용하게 되면서 기존의 직조형태의CFRP에 비해 더 좋은 물성을 확보할 수 있게 되었다. 이를 위해 본 논문에서는 30, 45, 60, 75도의 4가지 적층각도를 지닌 CFRP 소형 인장시험편을 구조해석 프로그램인 ANSYS를 이용하여 시뮬레이션 해석을 진행하며 해석결과를 토대로 변형에너지와 변형량, 응력값을 상호 비교한다. 이를 통하여 얻어진 결과값들을 바탕으로 재료 내에서 파괴를 야기 할 수 있는 크랙의 역학적 거동을 분석할 수 있고, 재료 내에 존재하는 크랙에 의한 영구적 변형, 변형 에너지, 응력의 발생으로 재료의 파괴 가능성이 있음을 알 수 있었다.
대상 데이터
- 본 논문의 해석모델의 유한요소는 절점 3745개, 요소 3565개로 각 시트마다 존재하며 이를 18개 층에 걸쳐 생성한다. 기존의 해석에서는 고체 요소를 사용했던 반면 본 해석에서는 얇은 낱장의 섬유를 모사하기 위해 Shell 181요소를 사용한다. 기존의 해석에서 사용되던 유한요소는 3차원상의 물체를 표현하기 위해 사용됐던 반면, CFRP는 얇은 섬유 한 장을 표현하기 위해 높이를 무시할 수 있다.
- 3mm의 탄소섬유 18장을 겹쳐 수지로 합침 시키며, 이때 진공상태에서 압력을 가하며 경화 후, 기계적 가공을 통해 구성하였다. 본 논문의 해석모델의 유한요소는 절점 3745개, 요소 3565개로 각 시트마다 존재하며 이를 18개 층에 걸쳐 생성한다. 기존의 해석에서는 고체 요소를 사용했던 반면 본 해석에서는 얇은 낱장의 섬유를 모사하기 위해 Shell 181요소를 사용한다.
성능/효과
- (1) 등가응력의 값에 있어 각 적층각도를 비교해 보았을 때, 적층각도 60도에서 가장 낮은 105MPa의 값을 보였으며, 적층각도 75도에서 170MPa로 가장 높은 결과값이 도출되었다. 이를 통해 구조물에 적용될 시 적층각도 60도에서 가장 안정한 것으로 볼 수 있다.
- (2) 전단응력의 값에 있어 각 적층각도를 비교해 보았을 때, 적층각도 60도에서 가장 낮은 21MPa의 값을 보였으며, 적층각도 75도에서 43MPa로 가장 높은 결과값이 도출되었다. 또한 전단응력의 분포에 있어 적층각도 60도는 넓은 부위에 적응 응력이 고루 분포되어 있지만, 75도에서 높은 응력값이 집중분포되어 전단파괴의 위험성이 높음을 알 수 있었다.
- (3) 변형에너지의 값에 있어 각 적층각도를 비교해 보았을 때, 적층각도 75도에서 1.25mJ로 가장 높게 나온 것을 제외하면 나머지 적층각도에서는 0.3mJ안팎의 결과값으로 안정된 값을 보이고 있다. 이를 통해 적층각도 75도를 구조물에 적용할 시, 구조물의 가해진 하중에 의해 변형을 일으키기 쉬움을 알 수 있었다.
- 이는 뒤에 이어질 적층각도 75도와 함께 비교했을 때, 명확히 할 수 있다. Fig. 14, 15, 16의 결과값에서 볼 수 있듯이 적층각도 60도를 전후로 등가응력이나 기타 결과값의 상하관계를 볼 수 있는데, 먼저 Fig. 14의 결과값에 있어 현재까지의 결과값 중에서 가장 높은 170MPa의 값이 나타났으며 전단응력에 있어서도 43MPa로 높았으며 응력분포또한 좁은 부위에 걸쳐 나타나 있어 변위가 지속될 시, 크랙 주변부의 파손으로 이어질 수 있다. 또한 변형에너지에 있어서도 1.
- 14의 결과값에 있어 현재까지의 결과값 중에서 가장 높은 170MPa의 값이 나타났으며 전단응력에 있어서도 43MPa로 높았으며 응력분포또한 좁은 부위에 걸쳐 나타나 있어 변위가 지속될 시, 크랙 주변부의 파손으로 이어질 수 있다. 또한 변형에너지에 있어서도 1.257mJ로 가장 높게 나타나 이를 구조물에 사용할 시, 파괴의 위험성이 높아질 수 있음을 알 수 있었다.
- (2) 전단응력의 값에 있어 각 적층각도를 비교해 보았을 때, 적층각도 60도에서 가장 낮은 21MPa의 값을 보였으며, 적층각도 75도에서 43MPa로 가장 높은 결과값이 도출되었다. 또한 전단응력의 분포에 있어 적층각도 60도는 넓은 부위에 적응 응력이 고루 분포되어 있지만, 75도에서 높은 응력값이 집중분포되어 전단파괴의 위험성이 높음을 알 수 있었다.
- 이를 위해 본 논문에서는 30, 45, 60, 75도의 4가지 적층각도를 지닌 CFRP 소형 인장시험편을 구조해석 프로그램인 ANSYS를 이용하여 시뮬레이션 해석을 진행하며 해석결과를 토대로 변형에너지와 변형량, 응력값을 상호 비교한다. 이를 통하여 얻어진 결과값들을 바탕으로 재료 내에서 파괴를 야기 할 수 있는 크랙의 역학적 거동을 분석할 수 있고, 재료 내에 존재하는 크랙에 의한 영구적 변형, 변형 에너지, 응력의 발생으로 재료의 파괴 가능성이 있음을 알 수 있었다.(7~12) 본 연구결과를 통하여 적층각도가 적용된 CFRP 구조물 내에서의 결함 또는 구멍이 발생하였을 시, 피로 파괴 가능성을 검증할 수 있는 자료로 사용될 수 있다고 사료된다.
- 3mJ안팎의 결과값으로 안정된 값을 보이고 있다. 이를 통해 적층각도 75도를 구조물에 적용할 시, 구조물의 가해진 하중에 의해 변형을 일으키기 쉬움을 알 수 있었다.
- (1~6) 이런 복합재료 중에서도 탄소섬유를 기지로 한 CFRP는 가장 주목받고 있는 소재이다. 탄소섬유 특유의 질긴 인장력은 이를 굳히기 위한 수지와 만나 같은 무게의 금속에 비해 높은 강도를 지니게 되는데, 여기에 섬유설계를 통한 적층구조를 적용하게 되면서 기존의 직조형태의CFRP에 비해 더 좋은 물성을 확보할 수 있게 되었다. 이를 위해 본 논문에서는 30, 45, 60, 75도의 4가지 적층각도를 지닌 CFRP 소형 인장시험편을 구조해석 프로그램인 ANSYS를 이용하여 시뮬레이션 해석을 진행하며 해석결과를 토대로 변형에너지와 변형량, 응력값을 상호 비교한다.
후속연구
- (4) 본 연구에서 얻어진 결과값들을 통하여 재료 내에서 파괴를 일으킬 수 있는 크랙의 역학적 거동을 분석할 수 있고, 응력의 발생 및 증가로 재료의 파괴 가능성이 있음을 알 수 있었으며 이를 바탕으로 하여 기계구조물에 적용된 적층각도를 지닌 CFRP구조물에 대한 안정성평가를 위한 기반자료로 활용될 수 있을 것으로 사료된다.
- 이를 통하여 얻어진 결과값들을 바탕으로 재료 내에서 파괴를 야기 할 수 있는 크랙의 역학적 거동을 분석할 수 있고, 재료 내에 존재하는 크랙에 의한 영구적 변형, 변형 에너지, 응력의 발생으로 재료의 파괴 가능성이 있음을 알 수 있었다.(7~12) 본 연구결과를 통하여 적층각도가 적용된 CFRP 구조물 내에서의 결함 또는 구멍이 발생하였을 시, 피로 파괴 가능성을 검증할 수 있는 자료로 사용될 수 있다고 사료된다.(13~23)
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