일방향 탄소섬유강화 플라스틱 복합재 적층구조의 충격 후 압축강도 시험 및 유한요소해석 Test and Finite Element Analysis on Compression after Impact Strength for Laminated Composite Structures of Unidirectional CFRP원문보기
본 연구에서는 구조재로 널리 사용되는 일방향 탄소섬유강화 플라스틱 복합재 적층구조의 충격 후 압축강도에 대한 시험 및 유한요소해석을 수행하였다. 연구에서 사용된 복합재 적층판은 적층방법에 따라 2종류로 구분되며, 각 적층판에는 4가지의 충격에너지를 적용하였다. 충격 및 압축강도 시험은 미국재료시험협회 규격을 준수하여 수행하였으며 비파괴검사 방법인 C-Scan을 통해 충격손상을 분석하고 압축시험을 통해 충격 후 압축강도를 산출하였다. 충격 및 압축강도 해석은 복합재 섬유/기지/단층/적층판 수준의 손상과 파손을 점진적으로 예측할 수 있는 점진적 파손해석을 사용하였다. 접촉하중, 처짐, 충격손상, 압축강도 등에 대한 시험 및 해석결과의 비교로부터 해석결과의 타당성을 확인하였다.
본 연구에서는 구조재로 널리 사용되는 일방향 탄소섬유강화 플라스틱 복합재 적층구조의 충격 후 압축강도에 대한 시험 및 유한요소해석을 수행하였다. 연구에서 사용된 복합재 적층판은 적층방법에 따라 2종류로 구분되며, 각 적층판에는 4가지의 충격에너지를 적용하였다. 충격 및 압축강도 시험은 미국재료시험협회 규격을 준수하여 수행하였으며 비파괴검사 방법인 C-Scan을 통해 충격손상을 분석하고 압축시험을 통해 충격 후 압축강도를 산출하였다. 충격 및 압축강도 해석은 복합재 섬유/기지/단층/적층판 수준의 손상과 파손을 점진적으로 예측할 수 있는 점진적 파손해석을 사용하였다. 접촉하중, 처짐, 충격손상, 압축강도 등에 대한 시험 및 해석결과의 비교로부터 해석결과의 타당성을 확인하였다.
In this study, tests and finite element analyses were performed regarding compression after impact strength for laminated composite structures of unidirectional carbon fiber reinforced plastic widely used in structural materials. Two lay-up sequences of composite laminates were selected as test spec...
In this study, tests and finite element analyses were performed regarding compression after impact strength for laminated composite structures of unidirectional carbon fiber reinforced plastic widely used in structural materials. Two lay-up sequences of composite laminates were selected as test specimens and four impact energy conditions were applied respectively. Impact and compressive strength tests were conducted in accordance with ASTM standards. Impact damages in test specimens were analyzed by using non-destructive inspection method of C-Scan, and compression after impact strengths were calculated with compressive test results. Progressive failure analysis method that can progressively simulate damages and fractures of fiber/matrix/lamina/laminate level was used for impact and compressive strength analyses. All analysis results including contact force, deflection, impact damages, compressive strengths, etc. were compared to test results, and the validity of analysis method was verified.
In this study, tests and finite element analyses were performed regarding compression after impact strength for laminated composite structures of unidirectional carbon fiber reinforced plastic widely used in structural materials. Two lay-up sequences of composite laminates were selected as test specimens and four impact energy conditions were applied respectively. Impact and compressive strength tests were conducted in accordance with ASTM standards. Impact damages in test specimens were analyzed by using non-destructive inspection method of C-Scan, and compression after impact strengths were calculated with compressive test results. Progressive failure analysis method that can progressively simulate damages and fractures of fiber/matrix/lamina/laminate level was used for impact and compressive strength analyses. All analysis results including contact force, deflection, impact damages, compressive strengths, etc. were compared to test results, and the validity of analysis method was verified.
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문제 정의
본 연구에서는 일방향 CFRP 복합재 적층구조의 충격손상 및 충격 후 압축(Compression after impact, 이하 CAI) 강도를 좀 더 정확하게 예측하기 위한 시험적, 해석적 연구를 수행하였다. 먼저 충격시험 및 압축강도시험을 수행하여 충격손상거동, CAI 강도 등을 획득하였다.
본 연구에서는 일방향 탄소섬유강화 플라스틱 복합재 적층구조의 충격손상 및 충격 후 압축강도를 예측하기 위한 시험 및 유한요소해석을 수행하였다. 시험은 ASTM 규격에 따라 2가지 Type의 적층구조 시편을 제작하여 수행하였으며, 동일한 시험조건을 고려하여 PFA 기법을 적용한 유한요소해석을 수행하였다.
제안 방법
먼저 충격시험 및 압축강도시험을 수행하여 충격손상거동, CAI 강도 등을 획득하였다. 그리고 복합재의 섬유/기지/단층/적층판 수준의 손상과 파손을 점진적으로 예측할 수 있는 유한요소해석 기법인 점진적 파손해석(Progressive failure analysis, 이하 PFA)을 적용하여 충격 후 압축강도해석을 수행하고 시험결과와 비교하여 신뢰성 및 타당성을 확인하였다.
충격시험기의 모델 및 제원은 Table 2와 같으며, 충격체(Impactor)에 장착된 로드셀(Load cell)을 이용하여 접촉하중을 측정하고 광학 인코더(Encoder)를 이용하여 충격체의 속도를 측정하였다. 또한 측정된 충격체의 속도를 이용하여 충격에너지와 시편의 두께방향 처짐량을 계산하였다.
본 연구에서는 일방향 CFRP 복합재 적층구조의 충격손상 및 충격 후 압축(Compression after impact, 이하 CAI) 강도를 좀 더 정확하게 예측하기 위한 시험적, 해석적 연구를 수행하였다. 먼저 충격시험 및 압축강도시험을 수행하여 충격손상거동, CAI 강도 등을 획득하였다. 그리고 복합재의 섬유/기지/단층/적층판 수준의 손상과 파손을 점진적으로 예측할 수 있는 유한요소해석 기법인 점진적 파손해석(Progressive failure analysis, 이하 PFA)을 적용하여 충격 후 압축강도해석을 수행하고 시험결과와 비교하여 신뢰성 및 타당성을 확인하였다.
2와 같이 시험치구를 제작하여 수행하였다. 시험결과로부터 최대 압축하중과 시편의 단면적을 이용하여 CAI 강도를 산출하였으며, 파손형태를 분석하여 파손모드를 정의하였다.
본 연구에서는 일방향 탄소섬유강화 플라스틱 복합재 적층구조의 충격손상 및 충격 후 압축강도를 예측하기 위한 시험 및 유한요소해석을 수행하였다. 시험은 ASTM 규격에 따라 2가지 Type의 적층구조 시편을 제작하여 수행하였으며, 동일한 시험조건을 고려하여 PFA 기법을 적용한 유한요소해석을 수행하였다. 본 연구에서 얻은 결론을 요약하면 다음과 같다.
앞에서 기술한 방법을 적용하여 CFRP 복합재 적층구조의 충격시험 및 해석을 수행하였다.
4와 같이 쉘 요소인 Quad4 요소를 적용하여 유한요소모델을 생성하였다. 적층판 모델은 실제 시편과 동일한 형상으로 모델을 생성하였으며, 충격체는 시험기에 장착된 충격체 Tip의 반경을 고려하여 반구 형상의 모델을 생성하였다. 충격해석의 경계조건은 시험치구의 형상과 강체운동의 제한을 고려하여 Fig.
또한 시험조건 별로 6개의 시편을 제작하여 시험을 수행하였다. 충격시험 후에는 충격 손상의 크기 및 형태를 확인하기 위하여 C-Scan을 이용한 비파괴검사를 수행하였다.
1과 같이 낙하식(Dropweight) 충격시험기를 이용하여 시험을 수행하였다. 충격시험기의 모델 및 제원은 Table 2와 같으며, 충격체(Impactor)에 장착된 로드셀(Load cell)을 이용하여 접촉하중을 측정하고 광학 인코더(Encoder)를 이용하여 충격체의 속도를 측정하였다. 또한 측정된 충격체의 속도를 이용하여 충격에너지와 시편의 두께방향 처짐량을 계산하였다.
대상 데이터
시험 조건은 Table 3과 같이 모두 동일한 낙하중량 및 충격체 지름을 사용하였으며, Type A 및 B 시편에 각각 4가지의 충격에너지를 적용하였다. 또한 시험조건 별로 6개의 시편을 제작하여 시험을 수행하였다. 충격시험 후에는 충격 손상의 크기 및 형태를 확인하기 위하여 C-Scan을 이용한 비파괴검사를 수행하였다.
복합재 적층구조의 충격 및 압축해석을 위하여 적층판 및 충격체는 Fig. 4와 같이 쉘 요소인 Quad4 요소를 적용하여 유한요소모델을 생성하였다. 적층판 모델은 실제 시편과 동일한 형상으로 모델을 생성하였으며, 충격체는 시험기에 장착된 충격체 Tip의 반경을 고려하여 반구 형상의 모델을 생성하였다.
본 연구에서 사용된 복합재료는 350℉ (177℃)에서 경화되는 일방향 CFRP 복합재이다. 탄소섬유는 Toho사에서 생산되는 Tenax G40-800 24K이며, 기지는 Cytec사에서 생산되는 Cycom 5276-1 열경화성 강화(Toughened) 에폭시이다.
시험 조건은 Table 3과 같이 모두 동일한 낙하중량 및 충격체 지름을 사용하였으며, Type A 및 B 시편에 각각 4가지의 충격에너지를 적용하였다. 또한 시험조건 별로 6개의 시편을 제작하여 시험을 수행하였다.
본 연구에서 사용된 복합재료는 350℉ (177℃)에서 경화되는 일방향 CFRP 복합재이다. 탄소섬유는 Toho사에서 생산되는 Tenax G40-800 24K이며, 기지는 Cytec사에서 생산되는 Cycom 5276-1 열경화성 강화(Toughened) 에폭시이다. 기지의 운용온도 범위는 -75~250℃ (-59~121℃)이다.
이론/모형
CAI 강도시험은 ASTM D 7137 규격[12]에 따라 Fig. 2와 같이 시험치구를 제작하여 수행하였다. 시험결과로부터 최대 압축하중과 시편의 단면적을 이용하여 CAI 강도를 산출하였으며, 파손형태를 분석하여 파손모드를 정의하였다.
CFRP 복합재 적층구조의 충격해석 및 CAI 강도 해석에는 PFA 기법을 사용하는 상용 유한요소해석 소프트웨어 Genoa가 적용되었으며, Solver로는 LS-Dyna와 Nastran이 각각 충격해석과 CAI 강도 해석에 적용되었다.
2절 파손기준에 기술된 단층의 기계적 물성과 섬유 및 기지의 체적율 등은 대부분 해당 물성시험을 통해 획득하였다. 물성시험을 통해 획득하지 못한 섬유의 탄성계수는 제작사로부터 제공된 값을 사용하였으며, 섬유 및 기지의 기계적 물성 및 면외방향 물성 등은 미시역학적 모델로부터 유도되는 방정식과[15] Genoa 소프트웨어에서 제공하는 역설계(Reverse engineering) 기능을 이용하여 추산된 값(Estimates)을 사용하였다.
본 유한요소해석에서는 섬유, 기지와 같은 미시적 수준의 최대응력 기반 파손기준, 최대변형률 기반 파손기준, 조합응력으로 정의되는 비틀림 에너지 이론을 기반으로 한 Modified distortion energy(이하 MDE) 파손기준을 적용하였다. 응력해석과 파손기준으로부터 섬유, 기지, 단층의 손상 발생유무를 판단하여 유한요소모델에 적용되며, 쉘 요소(Shell element)와 같은 2차원 요소 내에 포함된 모든 복합재 단층에 손상이 발생하고 파손한계에 이르면 해당 요소는 모델에서 제거된다.
충격시험은 ASTM D 7136[11] 규격에 따라 100 × 150 mm2의 적층판 시편을 제작하고 Fig. 1과 같이 낙하식(Dropweight) 충격시험기를 이용하여 시험을 수행하였다.
성능/효과
1) 충격해석의 접촉하중 이력에서 고주파의 변동이 발생하였지만 시험결과와 유사한 양상을 나타냈으며, FFT를 이용하여 Smoothing 처리를 한 결과 시험결과와 매우 유사한 양상을 나타냈다.
2) 충격에너지 및 충격체 접촉영역의 처짐량에 대한 해석결과로부터 시험결과를 유사하게 모사하고 예측할 수 있음을 확인하였다.
3) 충격손상 형상에 대한 해석결과와 시편에 대한 비파괴검사 결과의 비교로부터 최대 손상길이는 전반적으로 유사하게 나타났지만 비교적 두께가 얇은 Type A의 경우 23 J의 충격에너지에서 해석결과가 다소 과대평가 되었다. 비교적 두께가 얇고 높은 에너지에 대한 정확한 손상을 예측하기 위해서는 적층구조, 재료물성, 파손기준에 대한 추가적인 연구가 필요한 것으로 확인되었다.
4) 충격해석 결과로부터 단층 수준의 손상/파손영역을 확인하였으며 층간분리, 길이방향 압축파손 및 MDE 파손기준에 의한 손상이 지배적인 손상으로 확인되었다.
5) CAI 강도시험의 경우 비교적 낮은 에너지에서 시편의 모서리 파손이 발생하였으나 해석결과에서는 모서리 파손 없이 전반적으로 시험결과와 유사한 양상이 나타남을 확인하였다. 또한 대체로 해석결과에서 CAI 강도가 다소 높게 평가되는 것으로 나타났다.
층간분리 손상은 중앙에 위치한 층에서 가장 큰 영역을 나타내며 바깥의 상하부 층으로 갈수록 손상영역이 작아지는 경향을 나타냈다. 길이방향 및 횡방향 인장 파손기준에 의한 손상은 주로 하부 단층영역에 분포하며, 길이방향 압축파손 및 MDE 파손기준에 의한 손상이 층간분리 손상과 함께 모든 단층에 걸쳐 지배적인 손상으로 확인되었다.
그 외에는 모두 충격손상 영역에서 파손이 발생하였다. 대체로 시험과 해석결과에서 유사한 양상을 나타내지만 해석결과에서 CAI 강도가 다소 높게 평가되는 것으로 나타났다.
5) CAI 강도시험의 경우 비교적 낮은 에너지에서 시편의 모서리 파손이 발생하였으나 해석결과에서는 모서리 파손 없이 전반적으로 시험결과와 유사한 양상이 나타남을 확인하였다. 또한 대체로 해석결과에서 CAI 강도가 다소 높게 평가되는 것으로 나타났다.
8은 위와 동일한 적층구조 및 충격에너지에 대한 적층구조의 충격손상 형상을 해석결과 및 비파괴검사(C-Scan) 결과를 비교하여 나타낸 것이다. 해석결과에서는 충격부위의 파손한계로 인하여 요소가 제거된 영역도 나타났으며 경계조건에서도 손상이 나타났다.
후속연구
3) 충격손상 형상에 대한 해석결과와 시편에 대한 비파괴검사 결과의 비교로부터 최대 손상길이는 전반적으로 유사하게 나타났지만 비교적 두께가 얇은 Type A의 경우 23 J의 충격에너지에서 해석결과가 다소 과대평가 되었다. 비교적 두께가 얇고 높은 에너지에 대한 정확한 손상을 예측하기 위해서는 적층구조, 재료물성, 파손기준에 대한 추가적인 연구가 필요한 것으로 확인되었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
탄소섬유강화 플라스틱 복합재의 특징은?
탄소섬유강화 플라스틱(Carbon fiber reinforced plastic, 이하 CFRP) 복합재는 높은 비강성과 비강도를 갖는 소재로써 경량화를 필요로 하는 항공우주분야, 선박해양 분야, 자동차 분야, 스포츠 분야 등 다양한 산업분야에서 수요가 증가하고 있다. 또한 기계적 물성이 방향성을 갖기 때문에 복합재 적층방법에 따라 구조물 설계에 필요한 강도와 강성을 구현할 수 있는 이점을 가지고 있다.
탄소섬유강화 플라스틱 복합재의 이점은 무엇인가?
탄소섬유강화 플라스틱(Carbon fiber reinforced plastic, 이하 CFRP) 복합재는 높은 비강성과 비강도를 갖는 소재로써 경량화를 필요로 하는 항공우주분야, 선박해양 분야, 자동차 분야, 스포츠 분야 등 다양한 산업분야에서 수요가 증가하고 있다. 또한 기계적 물성이 방향성을 갖기 때문에 복합재 적층방법에 따라 구조물 설계에 필요한 강도와 강성을 구현할 수 있는 이점을 가지고 있다. 이처럼 CFRP 복합재는 구조물의 경량화와 강도 및 강성설계에 큰 이점을 가지고 있는 반면에, 탄소섬유및 에폭시 기지(Matrix)의 취성과 거시적으로 경계면을 갖는 특성으로 인하여 충격에 취약한 성질을 갖는 단점이 있다.
PFA 기법의 수행과정은 어떻게 되는가?
PFA 기법은 Fig. 3과 같이 1회의 하중 스텝에서 하중 증분(Load increment)을 부가하여 적층판 및 단층의 거시적(Macroscale) 수준에서 응력해석을 수행하고, 그 결과를 이용하여 섬유와 기지로 구성된 미시적(Microscale) 수준의 단위 셀(Unit cell) 및 서브 단위 셀(Sub-divided unit cell)에서 응력해석을 수행하게 된다. 응력해석 결과 및 파손기준(Failure criteria)으로부터 섬유, 기지, 단층, 적층판의 손상 발생유무를 판단하여 손상이 발생하지 않는 경우, 즉 평형(Equilibrium) 상태에서는 동일한 하중 증분을 추가로 부가한다.
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