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[국내논문] 유한요소법을 이용한 복합재의 물성치 도출에 대한 연구
Study on Material Properties of Composite Materials using Finite Element Method 원문보기

한국전산구조공학회논문집 = Journal of the computational structural engineering institute of Korea, v.29 no.1, 2016년, pp.61 - 65  

정철균 (한국과학기술원 기계공학과) ,  김성욱 (한국과학기술원 기계공학과)

초록
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복합재는 높은 비강도와 비강성을 가지고 있어 자동차, 항공기 등 전반적인 산업분야에서 널리 사용되는 재료이다. 우주선의 노즐 부분과 같이 높은 온도뿐만 아니라 높은 압력이 작용하는 환경에서 사용하기 위한 재료로 복합재가 필요하다. 복합재의 물성치를 아는 것은 매우 중요한데 모재(matrix)와 강화섬유(fiber) 각각의 물성치를 수치적으로 대입해 얻는 결과는 실험값과의 오차가 커 예측하는데 있어 더 정확한 방법이 필요할 것이다. 본 연구에서는 유한요소법을 이용한 EDISON용 CASAD solver 프로그램을 활용해 분석하였다. matrix와 fiber의 물성치를 대입해 복합재의 물성치를 구해 실험으로 측정된 물성치, 경험식으로 계산된 물성치와 비교를 하였다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

Composites are materials that are widely used in industries such as automobile and aircraft. The composite material is required as a material for using in a high temperature environment as well as acting as a high pressure environment like the nozzle part of the ship. It is important to know the pro...

Keyword

#물성치   #복합재   #모재   #강화섬유   #유한요소법  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 논문에서는 유한요소법을 이용해 복합재의 물성치를 구하는 것을 목표로 하여 실제 실험치와 실험을 통해 얻은 경험식에 대입한 값과 비교해 보았다. 도출된 결과를 토대로 유한요소해석을 통한 등가물성 구성의 타당성을 검증해 본다.
  • 본 논문에서는 유한요소법을 이용해 복합재의 물성치를 구하는 것을 목표로 하여 실제 실험치와 실험을 통해 얻은 경험식에 대입한 값과 비교해 보았다. 도출된 결과를 토대로 유한요소해석을 통한 등가물성 구성의 타당성을 검증해 본다.
  • 이 장에서는 fiber와 matrix의 물성치를 알 때 유한요소해석을 이용한 방법, 수식을 이용해 계산한 방법으로 전체 물성치를 구하는 방법을 소개하고 실험값과 비교를 해보고자한다. 또한 유한요소해석법에 이용되는 세 가지의 모델 중 어떤 모델이 가장 적합한지에 대해서 알아본다.

가설 설정

  • 복합재의 등가물성을 구하기 위해서는 복합재의 구성을 단순화할 필요가 있다. 복합재 내부를 구성하는 모재와 강화섬유가 일정한 구조로 반복 구성된다는 가정을 하면, 단위 구조의 물성을 파악하여 복합재의 등가물성을 계산할 수 있다. 복합재의 대표 영역(representative volume element, RVE)를 구성하여 대표 영역의 등가물성을 구성하는 방식으로 관련연구가 이루어지고 있다.
  • 강화섬유와 모재가 규칙적으로 배열되어 있다는 가정하에서는 총 세 가지의 대표 영역을 구성할 수 있다. 이 세 가지 모델은 평면응력, 평면 변형률이 적용되는 가정 하에 분석을 실시하였다. 2~3축 평면에 수직한 방향인 1축으로의 수직 응력과 전단응력이 0이 되는 응력상태(σx = τyx = τzx)인 평면 응력을 적용하고 2~3축 평면에 수직인 변형률과 전단 변형률이 0으로 가정되는 변형률 상태(εx = γyx = γzx)인 평면 변형률을 적용하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
복합재의 등가물성을 구하기 위해서는 무엇이 필요한가? 복합재의 등가물성을 구하기 위해서는 복합재의 구성을 단순화할 필요가 있다. 복합재 내부를 구성하는 모재와 강화 섬유가 일정한 구조로 반복 구성된다는 가정을 하면, 단위 구조의 물성을 파악하여 복합재의 등가물성을 계산할 수 있다.
유한요소해석을 진행할 때 복합재로 구성된 부분의 모재와 강화섬유를 있는 그대로 표현해서 해석하는 것은 불가능한 이유는? 유한요소해석을 진행할 때 복합재로 구성된 부분의 모재와 강화섬유를 있는 그대로 표현해서 해석하는 것은 불가능하다. 강화섬유의 배치된 구조를 알아야 할 뿐만 아니라 그 구조를 토대로 직접 유한요소 모델을 구성해야 하기 때문이다. 따라서 복합재를 사용하여 유한요소해석을 진행하기 위해서는 복합재의 등가물성이 필요하다.
복합재란? 복합재는 높은 비강도와 비강성을 가지고 있어 자동차, 항공기 등 전반적인 산업분야에서 널리 사용되는 재료이다. 우주선의 노즐 부분과 같이 높은 온도뿐만 아니라 높은 압력이 작용하는 환경에서 사용하기 위한 재료로 복합재가 필요하다.
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참고문헌 (7)

  1. Chamis, C.C. (1989) Mechanics of Composite Materials: Past, Present, and Future, J. Compos., Technol. & Res., 11, pp.3-14. 

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  2. Ever, J.B. (2014) Finite Element Analysis of Composite Materials using ANSYS, Second Edition, pp.54-56. 

  3. Hashin, Z. (1979) Analysis of Properties of Fiber Composites With Anisotropic Consitituents, J. Appl. Mech., 46 pp.543-550. 

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  4. Lu, J., Zhu, P., Ji, Q., Feng, Q., He, J. (2014) Identification of the Mechanical Properties of the Carbon Fiber and the Interphase Region based on Computational Micromechanics and Kriging Metamodel, Comput. Mater. Sci., 95, pp.172-180. 

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  5. Nakai, H., Kurashiki, T., Zako, M. (2007) Individual Modeling of Composite Materials with Mesh Superposition Method under Periodic Boundary Condition, 16th International Conference on Composite Materials, pp.1-2. 

  6. Soden, P.D., Hinton, M.J., Kaddoura, A.S. (1998) Lamina Properties, Lay-up Configurations and Loading Conditions for a Range of Fibre-Reinforced Composite Laminates, Compos. Sci. & Technol., 58, pp.1011-1022. 

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  7. Yun, S.H. (2000) The Finite Element Analysis for Calculations of Equivalent Elastic Constants Using the Homogenization Method, J. Comput. Struct. Eng. Inst. Korea,, 13(1), pp.51-61. 

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