섬유금속적층판과 같은 하이브리드 소재는 여러 방향의 하중에 의한 접착층의 파괴로 인해 층간분리가 발생할 수 있다. 모든 하중은 수직 방향의 응력과 면내 두 방향의 전단 응력으로 분해할 수 있으며, 이러한 하중은 접착층의 모드 I, II, III 파괴를 일으킨다. 따라서 하중에 의한 층간분리 현상을 예측하기 위해, 접착층의 모드별 임계 에너지 해방률을 도출하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 접착층의 모드 I 임계 에너지 해방률을 측정하기 위해 double cantilever beam 시험을 수행하였으며, 모드 II 임계 에너지 해방률을 측정하기 위해 end-notched flexure 시험을 수행하였다. 또한, 실험으로부터 도출한 임계 에너지 해방률을 ABAQUS의 응집영역모델에 적용하여 유한요소해석을 수행하였으며, 실제 실험 결과와의 비교를 통해 층간분리 현상에 대한 수치해석 기법 적용의 유효성을 입증하였다.
섬유금속적층판과 같은 하이브리드 소재는 여러 방향의 하중에 의한 접착층의 파괴로 인해 층간분리가 발생할 수 있다. 모든 하중은 수직 방향의 응력과 면내 두 방향의 전단 응력으로 분해할 수 있으며, 이러한 하중은 접착층의 모드 I, II, III 파괴를 일으킨다. 따라서 하중에 의한 층간분리 현상을 예측하기 위해, 접착층의 모드별 임계 에너지 해방률을 도출하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 접착층의 모드 I 임계 에너지 해방률을 측정하기 위해 double cantilever beam 시험을 수행하였으며, 모드 II 임계 에너지 해방률을 측정하기 위해 end-notched flexure 시험을 수행하였다. 또한, 실험으로부터 도출한 임계 에너지 해방률을 ABAQUS의 응집영역모델에 적용하여 유한요소해석을 수행하였으며, 실제 실험 결과와의 비교를 통해 층간분리 현상에 대한 수치해석 기법 적용의 유효성을 입증하였다.
An understanding of the failure mechanisms of the adhesive layer is decisive in interpreting the performance of a particular adhesive joint because the delamination is one of the most common failure modes of the laminated composites such as the fiber metal laminates. The interface between different ...
An understanding of the failure mechanisms of the adhesive layer is decisive in interpreting the performance of a particular adhesive joint because the delamination is one of the most common failure modes of the laminated composites such as the fiber metal laminates. The interface between different materials, which is the case between the metal and the composite layers in this study, can be loaded through a combination of fracture modes. All loads can be decomposed into peel stresses, perpendicular to the interface, and two in-plane shear stresses, leading to three basic fracture mode I, II and III. To determine the load causing the delamination growth, the energy release rate should be identified in corresponding criterion involving the critical energy release rate ($G_C$) of the material. The critical energy release rate based on these three modes will be $G_{IC}$, $G_{IIC}$ and $G_{IIIC}$. In this study, to evaluate the fracture behaviors in the fracture mode I and II of the adhesive layer in fiber metal laminates, the double cantilever beam and the end-notched flexure tests were performed using the reference adhesive joints. Furthermore, it is confirmed that the experimental results of the adhesive fracture toughness can be applied by the comparison with the finite element analysis using cohesive zone model.
An understanding of the failure mechanisms of the adhesive layer is decisive in interpreting the performance of a particular adhesive joint because the delamination is one of the most common failure modes of the laminated composites such as the fiber metal laminates. The interface between different materials, which is the case between the metal and the composite layers in this study, can be loaded through a combination of fracture modes. All loads can be decomposed into peel stresses, perpendicular to the interface, and two in-plane shear stresses, leading to three basic fracture mode I, II and III. To determine the load causing the delamination growth, the energy release rate should be identified in corresponding criterion involving the critical energy release rate ($G_C$) of the material. The critical energy release rate based on these three modes will be $G_{IC}$, $G_{IIC}$ and $G_{IIIC}$. In this study, to evaluate the fracture behaviors in the fracture mode I and II of the adhesive layer in fiber metal laminates, the double cantilever beam and the end-notched flexure tests were performed using the reference adhesive joints. Furthermore, it is confirmed that the experimental results of the adhesive fracture toughness can be applied by the comparison with the finite element analysis using cohesive zone model.
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문제 정의
본 연구에서는 DCB와 ENF 시험에서 도출한 하중-변위 선도와 유한요소해석으로부터 도출한 하중-변위 선도를 비교하여 도출한 물성치의 수치해석 적용에 대한 타당성을 검토하였다.
본 연구에서는 모드 II 임계 에너지 해방률을 도출하기 위해 ENF 시험을 수행하였다. ENF 시험은 빔 이론(beam thoery)으로부터 임계 에너지 해방률을 정의할 수 있으며[18], 식은 아래와 같다.
본 연구에서는 섬유금속적층판의 층간분리 현상을 규명하기 위해 DCB와 ENF 시험을 수행하여 접착제의 임계 에너지 해방률을 도출하였으며, 유한요소해석을 통해 접착제의 파괴 거동을 충분히 예측할 수 있음을 보였다. 본 연구의 결론은 다음과 같다.
본 연구에서는 섬유금속적층판의 층간분리를 규명하기 위해 DCB(double cantilever beam)과 ENF(end-notched flexure) 시험을 수행하였다. 시험에서 도출한 하중과 변위, 층간분리 길이를 사용하여 모드 I, II 임계 에너지 해방률을 도출하였으며, 도출한 해방률은 상용 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS의 응집영역모델(coheisive zone model, CZM)에 적용하여 실제 실험 결과와의 비교를 통해 섬유금속적층판의 층간분리 현상에 대한 수치해석 기법 적용의 유효성을 입증하였다.
가설 설정
DCB 시험에서 힌지(hinge)가 부착되는 부분은 강체 거동이 일어날 수 있도록 설정하였으며, 실제 시험과 같은 위치에서 하중이 적용될 수 있도록 하였다. ENF 시험의 경우, 지지대와 펀치 및 시편에 각각 접촉조건을 부여하였으며, 이때 접촉 부분의 마찰력은 무시하는 것으로 가정하였다.
G13는 알루미늄 시편의 전단계수이며, 면내 전단계수인 G12와 동일하다 가정하였다[18].
도출한 응집강도는 접착제의 인장강도에 비해 상대적으로 낮은 것을 알 수 있다. 본 유한요소모델에서는 도출한 응집강도의 평균값을 사용하였으며, 법선과 접선 방향의 응집강도는 동일한 것으로 가정하였다.
(1) DCB 시험을 수행하였으며, MBT, CCM, MCCM을 사용하여 모드 I 임계 에너지 해방률을 도출하였다. MBT로부터 도출한 모드 I 임계 에너지 해방률이 상대적으로 높은 값을 가지는 것을 알 수 있었다.
(2) ENF 시험을 수행하여 모드 II 임계 에너지 해방률을 도출하였다.
(4) DCB 시험, ENF 시험 및 맞대기 접착 이음 시험을 수행하였으며, 도출한 물성치를 사용하여 유한요소해석을 수행하였다. 시험과 해석으로부터 도출한 하중-변위 선도를 비교하였으며, 유한요소모델이 접착제의 파괴 거동을 충분히 예측할 수 있음을 확인할 수 있었다.
DCB 시험은 Instron 사의 만능재료시험기(Instron 5566)를 사용하여 수행되었으며, 이때 인장속도는 약 10 mm/min이다. Instron 5566의 측정 장비에서 하중과 변위를 도출하였으며, 층간분리 길이는 영상 촬영 방법을 통해 측정하였다. 이때, 층간분리 길이에 따른 하중과 변위는 영상에서의 시간과 시험 데이터에서 측정된 시간과 비교하여 얻을 수 있다.
MCCM은 기존의 CCM을 수정한 방법으로써, 시편의 두께에 대한 효과를 고려하였다. MCCM은 아래의 식과 같이 정의할 수 있다.
이때, 시편 제작 시 이형필름을 사용하여 약 50 mm의 초기 층간분리 길이를 얻었다. 또한, 시험을 수행하면서 시편의 층간분리 길이를 측정하기 위해 시편의 전단부에 5 mm 간격의 눈금을 표시하였다. DCB 시험은 Instron 사의 만능재료시험기(Instron 5566)를 사용하여 수행되었으며, 이때 인장속도는 약 10 mm/min이다.
본 연구에서는 모드 I 에너지 해방률을 도출하기 위해 DCB 시험을 수행하였으며, 시험으로부터의 데이터를 사용하여 MBT, CCM, MCCM 방법으로 모드 I 에너지 해방률을 도출하였다. 모드 I 에너지 해방률은 층간분리 길이와 함께 Fig.
DCB 시험으로부터 도출한 하중과 변위 그리고 층간분리 길이를 사용하여 이론적으로 에너지 해방률을 도출할 수 있다. 본 연구에서는 모드 I 에너지 해방률을 도출하기 위해 MBT(modified beam theory), CCM(compliance calibration method), MCCM(modified compliance calibration method)를 사용하였으며[14], 각 방법에 의해 도출한 임계 에너지 해방률을 비교하였다.
섬유금속적층판의 모드 I, II 임계 에너지 해방률을 도출하기 위해 DCB 그리고 ENF 시험을 수행하였다. 시험을 수행하기 위해 2 mm 두께의 알루미늄 5052-H32와 Fait plast 사의 폴리올레핀 접착제인 Faiterm 접착제를 사용하여 시편을 제작하였다.
시험을 수행하기 위해 2 mm 두께의 알루미늄 5052-H32와 Fait plast 사의 폴리올레핀 접착제인 Faiterm 접착제를 사용하여 시편을 제작하였다. 알루미늄 시편을 접착시키기 위해 Fig. 2와 같은 사이클로 열을 가하였으며, 용융된 접착제의 기포를 제거하기 위해 약 0.4 MPa의 압력과 0.096 MPa의 진공압을 가하였다. 제작이 완료된 시편은 상온 조건에서 서서히 냉각시켰다.
대상 데이터
DCB 시험의 경우, 알루미늄은 4 절점 평면 변형 요소(4-node plane strain element)를 사용하였으며, 접착제는 접착요소(cohesive element)를 사용하였다. ENF 시험의 경우, 알루미늄은 8 절점 사면체 요소(8-node brick element)를 사용하였으며, 접착제는 동일한 접착요소를 사용하였다.
DCB 시험의 경우, 알루미늄은 4 절점 평면 변형 요소(4-node plane strain element)를 사용하였으며, 접착제는 접착요소(cohesive element)를 사용하였다. ENF 시험의 경우, 알루미늄은 8 절점 사면체 요소(8-node brick element)를 사용하였으며, 접착제는 동일한 접착요소를 사용하였다. 또한, ENF 시험에서의 지지대와 펀치는 강체 요소(rigid element)를 사용하였다.
ENF 시험은 DCB 시험과 달리 모드 II 에너지 해방률을 도출하기 위한 시험 중 하나다[15,16]. ENF 시험의 시편은 Fig. 3(b)와 같이 폭 25 mm와 길이 150 mm로 제작되었으며, 기존의 연구 사례를 참고하여 약 10 mm의 초기 층간분리 길이를 얻었다[17]. ENF 시험은 Fig.
9와 같이 수행되었다. 시편은 원통 형상이며, 지름은 약 12.5 mm, 높이는 약 40 mm이다. 맞대기 이음 시험을 수행하여 도출된 하중-변위 선도는 Fig.
섬유금속적층판의 모드 I, II 임계 에너지 해방률을 도출하기 위해 DCB 그리고 ENF 시험을 수행하였다. 시험을 수행하기 위해 2 mm 두께의 알루미늄 5052-H32와 Fait plast 사의 폴리올레핀 접착제인 Faiterm 접착제를 사용하여 시편을 제작하였다. 알루미늄 시편을 접착시키기 위해 Fig.
이론/모형
본 연구에서는 Lee[20]가 제안한 맞대기 이음 시험(butt test)을 통해 접착제의 응집강도를 도출하였다. 맞대기 이음 시험은 ASTM D2094와 ASTM D2095를 참고하였으며[21,22], Fig. 9와 같이 수행되었다. 시편은 원통 형상이며, 지름은 약 12.
하지만 정확한 값을 도출하기 위해서는 단순한 접착제의 인장강도가 아닌 접착제의 법선 방향의 인장강도가 정의되어야 한다. 본 연구에서는 Lee[20]가 제안한 맞대기 이음 시험(butt test)을 통해 접착제의 응집강도를 도출하였다. 맞대기 이음 시험은 ASTM D2094와 ASTM D2095를 참고하였으며[21,22], Fig.
본 연구에서는 섬유금속적층판 내부 접착제의 파괴 거동을 해석하기 위하여 상용 프로그램인 ABAQUS에서 제공하는 응집영역모델을 이용하였다. Fig.
DCB 시험은 복합재료의 내부 계면에 대한 모드 I 에너지 해방률을 도출하기 위한 시험 중 하나다[11-13]. 이 방법은 선형탄성파괴역학(linear elastic fracture mechanics)을 기반하였으며, 측정하중과 변위 그리고 층간분리 길이 등을 사용하여 에너지 해방률 GI를 도출한다. DCB 시험의 시편은 ASTM D5528을 참고하여 Fig.
성능/효과
(3) 맞대기 접착 이음 시험을 수행하여 접착제의 응집강도 σnn과 σtt를 도출하였으며, 접착제의 인장강도보다 상대적으로 낮음을 알 수 있었다.
(1) DCB 시험을 수행하였으며, MBT, CCM, MCCM을 사용하여 모드 I 임계 에너지 해방률을 도출하였다. MBT로부터 도출한 모드 I 임계 에너지 해방률이 상대적으로 높은 값을 가지는 것을 알 수 있었다.
도출한 모드 II 임계 에너지 해방률은 Table 2와 같다. 모드 II 에너지 해방률은 모드 I보다 약 28% 정도 낮은 것을 알 수 있으며, 이는 섬유금속적층판이 전단에 의한 파괴가 취약하다는 것을 알 수 있다.
(4) DCB 시험, ENF 시험 및 맞대기 접착 이음 시험을 수행하였으며, 도출한 물성치를 사용하여 유한요소해석을 수행하였다. 시험과 해석으로부터 도출한 하중-변위 선도를 비교하였으며, 유한요소모델이 접착제의 파괴 거동을 충분히 예측할 수 있음을 확인할 수 있었다.
본 연구에서는 섬유금속적층판의 층간분리를 규명하기 위해 DCB(double cantilever beam)과 ENF(end-notched flexure) 시험을 수행하였다. 시험에서 도출한 하중과 변위, 층간분리 길이를 사용하여 모드 I, II 임계 에너지 해방률을 도출하였으며, 도출한 해방률은 상용 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS의 응집영역모델(coheisive zone model, CZM)에 적용하여 실제 실험 결과와의 비교를 통해 섬유금속적층판의 층간분리 현상에 대한 수치해석 기법 적용의 유효성을 입증하였다.
후속연구
접착제의 접합 상태를 일정하게 유지시킬 수 있다면 이러한 시험에서의 오차는 크게 줄일 수 있으리라 판단된다. 또한, 본 연구에서 수행한 요한요소해석을 활용하여 섬유금속적층판과의 층간분리를 충분히 모사할 수 있으리라 판단되며, 차후 섬유금속적층판을 사용한 구조물 해석 시 유용하게 사용될 수 있을 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
섬유금속적층판이란?
섬유금속적층판(fiber metal laminates, FMLs)은 외부에 금속과 내부에 복합재료 그리고 접착필름을 이용하여 만들어진 하이브리드 소재다. 섬유금속적층판은 차체의 경량화 및 내충격성을 증대시키기 위하여 자동차의 임팩트 빔(impact beam)이나 범퍼(bumper) 등의 차체 구조물에 금속을 대신하여 적용함으로써 보다 효과적인 경량화를 이룰 수 있다 [1].
DCB 시험의 특징은?
DCB 시험은 복합재료의 내부 계면에 대한 모드 I 에너지 해방률을 도출하기 위한 시험 중 하나다[11-13]. 이 방법은 선형탄성파괴역학(linear elastic fracture mechanics)을 기반 하였으며, 측정하중과 변위 그리고 층간분리 길이 등을 사용하여 에너지 해방률 G I 를 도출한다. DCB 시험의 시편은 ASTM D5528을 참고하여 Fig.
섬유금속적층판에서 자동차의 임팩트 빔이나 범퍼 등의 차체 구조물에 금속을 대신하여 적용하는 이유는?
섬유금속적층판(fiber metal laminates, FMLs)은 외부에 금속과 내부에 복합재료 그리고 접착필름을 이용하여 만들어진 하이브리드 소재다. 섬유금속적층판은 차체의 경량화 및 내충격성을 증대시키기 위하여 자동차의 임팩트 빔(impact beam)이나 범퍼(bumper) 등의 차체 구조물에 금속을 대신하여 적용함으로써 보다 효과적인 경량화를 이룰 수 있다 [1]. Compston[2]과 Vlot[3] 등은 유리섬유/에폭시를 사용하여 제작된 섬유금속적층판으로 충격실험을 수행하여, 섬유 금속적층판이 일반적인 금속에 비하여 손상에 대한 저항이 우수하다고 보고하였다.
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