박재웅
(Division of Mechanical and Automotive Engineering, Kongju University)
,
전성식
(Division of Mechanical and Automotive Engineering, Kongju University)
,
조재웅
(Division of Mechanical and Automotive Engineering, Kongju University)
경량화 소재 중 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic)는 카본 섬유를 이용한 섬유구조물이다. 카본과 플라스틱의 특성을 갖는 복합소재이다. 섬유구조는 섬유방향으로 큰 강도를 갖는다. 이러한 경량 소재인 CFRP로 가장 많이 사용되는 것은 직조된 CFRP이다. 직조된 CFRP는 단방향 CFRP에 비하여 구조가 안정적이기 때문이다. 단직조된 CFRP는 고가이다. 따라서 본 연구는 단방향 CFRP의 섬유 구조 특성을 파악하고자 하였다. 본 연구에서는 적층각도 [0/X/-X/0]로 X를 변수로 갖는다. X의 각도 위상이 반전되어 적층된 단방향 CFRP이다. 이러한 단방향 CFRP를 이용하여 중앙 크랙을 갖는 두께 2 mm 판재 형태의 해석 모델을 이용하였다. 해석에서는 핀으로 연결된 상부와 하부에서 하중이 가해지고 있으며 중앙 크랙부분에서 파단을 연구한다. 해석 모델은 CATIA를 이용한 3D Surface 모델로 설계하였다. CFRP 적층을 위해, ANSYS프로그램에서 ACP를 이용한 적층 방향을 결정하여 2개의 적층들을 갖는 해석 모델을 만들었다. 이후 구조해석을 진행하였다.
경량화 소재 중 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic)는 카본 섬유를 이용한 섬유구조물이다. 카본과 플라스틱의 특성을 갖는 복합소재이다. 섬유구조는 섬유방향으로 큰 강도를 갖는다. 이러한 경량 소재인 CFRP로 가장 많이 사용되는 것은 직조된 CFRP이다. 직조된 CFRP는 단방향 CFRP에 비하여 구조가 안정적이기 때문이다. 단직조된 CFRP는 고가이다. 따라서 본 연구는 단방향 CFRP의 섬유 구조 특성을 파악하고자 하였다. 본 연구에서는 적층각도 [0/X/-X/0]로 X를 변수로 갖는다. X의 각도 위상이 반전되어 적층된 단방향 CFRP이다. 이러한 단방향 CFRP를 이용하여 중앙 크랙을 갖는 두께 2 mm 판재 형태의 해석 모델을 이용하였다. 해석에서는 핀으로 연결된 상부와 하부에서 하중이 가해지고 있으며 중앙 크랙부분에서 파단을 연구한다. 해석 모델은 CATIA를 이용한 3D Surface 모델로 설계하였다. CFRP 적층을 위해, ANSYS프로그램에서 ACP를 이용한 적층 방향을 결정하여 2개의 적층들을 갖는 해석 모델을 만들었다. 이후 구조해석을 진행하였다.
Carbon fiber reinforced plastic (CFRP), one of lightweight materials, is the fiber structure using carbon fiber. It is the composite material that has the characteristics of carbon and plastic. As for the fiber structure, it has the great strength due to fiber direction. CFRP for woven type is used ...
Carbon fiber reinforced plastic (CFRP), one of lightweight materials, is the fiber structure using carbon fiber. It is the composite material that has the characteristics of carbon and plastic. As for the fiber structure, it has the great strength due to fiber direction. CFRP for woven type is used mostly as such a CFRP with lightweight. Woven type is more stable when compared with unidirectional type. On the other hand, woven type is highly priced. Therefore, this study aims to analyze the fiber structure of unidirectional CFRP. In this study, as the stacking angle [0/X/-X/0], X is the variable. This is unidirectional CFRP in which the angle phase of X has been reversed and stacked. By using such a unidirectional CFRP, the analysis model which had a crack at the center as the form of panel with the thickness of 2 mm was used. On analysis, the load is applied on the upper and lower parts being connected with a pin. The damage in the area near center crack was investigated. As for the analysis model, 3D surface model was designed by using CATIA. For CFRP stacking, the stacking direction was determined by using ACP in ANSYS program and the analysis model with two stacks was made. Afterwards, the structural analysis was carried out.
Carbon fiber reinforced plastic (CFRP), one of lightweight materials, is the fiber structure using carbon fiber. It is the composite material that has the characteristics of carbon and plastic. As for the fiber structure, it has the great strength due to fiber direction. CFRP for woven type is used mostly as such a CFRP with lightweight. Woven type is more stable when compared with unidirectional type. On the other hand, woven type is highly priced. Therefore, this study aims to analyze the fiber structure of unidirectional CFRP. In this study, as the stacking angle [0/X/-X/0], X is the variable. This is unidirectional CFRP in which the angle phase of X has been reversed and stacked. By using such a unidirectional CFRP, the analysis model which had a crack at the center as the form of panel with the thickness of 2 mm was used. On analysis, the load is applied on the upper and lower parts being connected with a pin. The damage in the area near center crack was investigated. As for the analysis model, 3D surface model was designed by using CATIA. For CFRP stacking, the stacking direction was determined by using ACP in ANSYS program and the analysis model with two stacks was made. Afterwards, the structural analysis was carried out.
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문제 정의
본 연구에서는 위상이 반대인 방향으로 적층한 단방향 CFRP를 이용하여 중앙 크랙부분에서의 파괴 거동을 해석적으로 확인하였다. 해석은 적층 각도를 10°씩 변화시키며 적층각도 45°인 모델을 이용하여 해석을 진행하였다.
제안 방법
45°의 적층각도를 갖는 단방향 섬유구조는 가장 중앙점이므로 본 연구에서는 추가로 진행하였다.
3의 (a)는 적층각도 [0/10/-10/0]인 단방향 CFRP의 Equivalent stress 시뮬레이션 결과이다. 8개의 Ply 중 Equivalent stress가 가장 높게 나타난 판과 가장 낮은 판을 비교하였다. 2번 판은 적층각도 10°이며 최대 등가응력이 11665 MPa로 가장 높은 값을 갖는 판이다.
상부와 하부에 핀으로 연결된 상태에서 하중을 받고 중앙 크랙부분에서 파단이 이루어지는 형태의 해석을 구현하였다. CFRP 적층을 위해 ANSYS 프로그램에서 ACP를 이용한 적층 방향을 결정하여 2개의 Stacking을 갖는 해석 모델을 만들었다. 이후 ANSYS 구조해석을 통한 해석을 진행하였다.
모델링과정까지의 해석 모델은 Surface로 되어 있다. Fig. 1에서 보이는 것과 같이 모델링 이후 Carbon Fiber의 단방향 적층을 위해 유한 요소해석 프로그램인 ANSYS에서 ACP를 이용한 단 방향 섬유의 적층을 진행하여 Soild형태의 해석 모델을 구성하였다. 중앙 크랙주변을 중심으로 적층각도가 불규칙한 부분이 생기지만 이는 프로그램 계산에 따른 오차이다.
이러한 단방향 CFRP를 이용하여 중앙 크랙을 갖은 두께 2 mm 판재 형태의 해석 모델을 이용하였다. 상부와 하부에 핀으로 연결된 상태에서 하중을 받고 중앙 크랙부분에서 파단이 이루어지는 형태의 해석을 구현하였다. CFRP 적층을 위해 ANSYS 프로그램에서 ACP를 이용한 적층 방향을 결정하여 2개의 Stacking을 갖는 해석 모델을 만들었다.
CFRP 적층을 위해 ANSYS 프로그램에서 ACP를 이용한 적층 방향을 결정하여 2개의 Stacking을 갖는 해석 모델을 만들었다. 이후 ANSYS 구조해석을 통한 해석을 진행하였다.
한개의 Stacking 섬유적층 구조로는 [0/10/-10/0]에서부터 [0/90/-90/0]까지 10° 간격으로 진행하였다.
해석은 적층 각도를 10°씩 변화시키며 적층각도 45°인 모델을 이용하여 해석을 진행하였다.
대상 데이터
해석 조건에서 단방향 CFRP의 물성치로는 Table 1과 같다. 본 연구에서의 해석 요소는 최대 격자 단위 1 mm로 지정하여 약 2714개의 Elements를 갖는다.
본 연구의 해석 모델은 Fig. 1과 같이 규격은 두께 2 mm 가로 30 mm 세로 100 mm이다. 이러한 단방향 CFRP 판에 직경 10 mm를 갖는 3개의 구멍을 뚫었으며 해석모델의 중앙 구멍에는 구멍 주위로 4 mm씩 추가적인 크랙을 주었다.
따라서 판재가 휘어질 우려가 있으므로 X의 각도를 반전시켜 제작한다. 이러한 단방향 CFRP를 이용하여 중앙 크랙을 갖은 두께 2 mm 판재 형태의 해석 모델을 이용하였다. 상부와 하부에 핀으로 연결된 상태에서 하중을 받고 중앙 크랙부분에서 파단이 이루어지는 형태의 해석을 구현하였다.
이를 섬유 밀도로 수정하였으나 더 이상 수정할 시 더 큰 오차가 생기기 때문에 최적점까지 수정을 완료한것이다. 해석 모델은 4개의 판을 갖는 Stacking을 2개 적층한 구조이다. 한개의 Stacking 섬유적층 구조로는 [0/10/-10/0]에서부터 [0/90/-90/0]까지 10° 간격으로 진행하였다.
이론/모형
이러한 단방향 CFRP 판에 직경 10 mm를 갖는 3개의 구멍을 뚫었으며 해석모델의 중앙 구멍에는 구멍 주위로 4 mm씩 추가적인 크랙을 주었다. 해석모델은 3D 모델링 프로그램인 CATIA V5를 이용하였다. 모델링과정까지의 해석 모델은 Surface로 되어 있다.
성능/효과
(1) 적층각도 45°인 해석 모델까지 적층각도가 커질수록 비교적 높은 최대등가응력 상승을 보인다.
(2) 최대 변형에너지는 적층각도가 증가 함에 따라 최대변형 에너지가 커진다. 섬유의 적층각도가 하중과 동일한 방향일 때 가장 큰 변형에너지가 나타난다.
(3) 최대 변형에너지는 중앙 크랙 주위로 나타나며 모든 적층각도의 CFRP 해석모델이 동일하다. 이는 섬유 방향이 하중에 수직하더라도 하중을 분산시키지는 못한다.
(4) 최대 등가응력과 최대 변형에너지 해석 결과를 보게 되면 적층각도 10°에서 60°까지는 등가응력의 분포가 해석 모델의 전체에 고르게 나타나지 않고 있으며 변형에너지도 낮게 나타난다. 따라서 본 연구와 같은 구조로 설계된 단방향 CFRP를 사용할 때에 적층각도 60~90°의 섬유 구조물이 적당하다.
(4) 최대 등가응력과 최대 변형에너지 해석 결과를 보게 되면 적층각도 10°에서 60°까지는 등가응력의 분포가 해석 모델의 전체에 고르게 나타나지 않고 있으며 변형에너지도 낮게 나타난다. 따라서 본 연구와 같은 구조로 설계된 단방향 CFRP를 사용할 때에 적층각도 60~90°의 섬유 구조물이 적당하다.
적층각도 10°, 45°, 60°, 90°의 해석 모델을 대표로 값을 확인하게 되면 각각 11665 MPa, 43371 MPa, 51090 MPa, 54935 MPa이 나타났다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
CFRP로 가장 많이 사용되는 것은?
섬유구조는 섬유방향으로 큰 강도를 갖는다. 이러한 경량 소재인 CFRP로 가장 많이 사용되는 것은 직조된 CFRP이다. 직조된 CFRP는 단방향 CFRP에 비하여 구조가 안정적이기 때문이다.
경량화 소재 중 CFRP 는 무엇을 이용한 섬유구조물인가?
경량화 소재 중 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic)는 카본 섬유를 이용한 섬유구조물이다. 카본과 플라스틱의 특성을 갖는 복합소재이다.
경량화 소재 중 CFRP은 어떤 물질의 특성을 갖는 소재인가?
경량화 소재 중 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic)는 카본 섬유를 이용한 섬유구조물이다. 카본과 플라스틱의 특성을 갖는 복합소재이다. 섬유구조는 섬유방향으로 큰 강도를 갖는다.
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