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스카프 패치로 수리한 복합재 단일겹침 체결부의 파손 특성 연구
Failure Characteristics of Scarf Patch-repaired Composite Single-lap Joints 원문보기

Composites research = 복합재료, v.29 no.3, 2016년, pp.117 - 124  

김충현 (School of Mechanical and Aerospace Engineering, Gyeongsang National University) ,  유재승 (School of Mechanical and Aerospace Engineering, Gyeongsang National University) ,  변창석 (School of Mechanical and Aerospace Engineering, Gyeongsang National University) ,  주현우 (School of Mechanical and Aerospace Engineering, Gyeongsang National University) ,  박민영 (Agency for Defense Development) ,  최진호 (School of Mechanical, Aerospace and Information Engineering, Research Center for Aircraft Parts Technology, Gyeongsang National University) ,  권진회 (School of Mechanical, Aerospace and Information Engineering, Research Center for Aircraft Parts Technology, Gyeongsang National University)

초록
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본 연구에서는 스카프 패치로 수리한 복합재 단일겹침 체결부의 파손강도를 시험과 해석으로 연구하였다. 스카프 비, 모재의 적층패턴, 결함크기를 달리 하며 총 45개의 시편에 대한 시험을 수행하여 파손강도와 파손모드를 분석하였다. 다양한 형상의 시편에 대한 시험 결과, 한 경우를 제외하고는 수리 후의 체결부가 결함이 없는 체결부 강도 이상의 강도를 회복하며, 체결부 인자에 따른 특별한 차이는 나타나지 않는 것을 확인하였다. 파손강도가 낮게 나타난 한 경우에 대한 파손면 분석결과 모재의 표면층인 평직층의 표면처리가 충분치 않은 것이 원인인 것으로 판단되었다. 시험 결과의 분석을 위해 3차원 유한요소해석을 수행하였는데, 유한요소해석에서도 고려한 체결부 인자가 상하부 모재와 패치, 접착층에서의 응력에 큰 영향을 미치지 않는 것을 확인하였다. 이는 단일겹침 체결부의 경우 외부 인장하중이 겹침영역을 통과하면서 상하부 모재로 분산되기 때문인 것으로 판단된다. 시험과 해석 결과 모재 중앙에 결함이 존재하는 단일겹침 체결부의 경우 절차에 따라 패치 접착이 이루어지고, 모재의 표면처리가 충분히 이루어진다면 수리를 통해 손상 전 강도를 회복할 수 있는 것으로 판단된다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The failure strength of composite single-lap joint repaired using scarf patch was investigated by test and finite element method. A total of 45 specimens were tested changing scarf ratio, stacking pattern, and defect size to study the failure strength and mode. Except for one case, all repaired spec...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 따라서 본 연구에서는 복합재 단일겹침 체결부의 국부적 손상을 스카프 패치를 이용해 수리하고, 수리한 구조물의 건전성을 시험으로 평가하였다. 스카프 패치는 결함크기 2종류와 스카프 비(두께 대 스카프 길이 비) 3종류로 나누어 진행하였으며 이 중 한 경우에 대하여는 적층패턴과 두께를 달리 한 2종류의 모재에 대해서도 추가 시험을 수행하였다.
  • 본 논문에서는 스카프 패치를 이용해 결함을 수리한복합재 단일겹침 체결부 강도를 시험과 유한요소해석으로 연구하였다. 시험은 스카프 비, 결함크기, 모재의 적층패턴을 달리하여 총 45개의 시편에 대해 수행하였다.

가설 설정

  • 외부겹침층이 패치 밖에서 모재와 접착되는 길이 즉 외부겹침길이는 5 mm이다. 결함은 상부 판넬에 존재하는 것으로 가정하였다. 모재와 패치, 상부 판넬과 하부 판넬은 오토클레이브에서 주어진 성형 사이클에 따라 별도로 제작하였고, 성형된 상부 판넬과 하부 판넬을 페이스트(Paste) 접착제를 이용해 오븐에서 접착하였다.
  • 시험장비는 100 kN 용량의 재료시험기인 Instron 5582를 사용하였다. 하중은 ASTM D3165-07[13]/D1002-01[14] 규격을 참고하여 변위제어로 분당 1.27 mm의 속도로 가하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
스카프 패치를 이용한 수리는 어떤 방법인가? 기계적 체결재를 이용한 수리[1], 수지 주입법을 이용한 수리[2], 외부 패치를 이용한 수리[3-5], 계단형 패치를 이용한 수리[6,7], 스카프 패치를 이용한 수리[8-12] 등이 그 예이다. 이러한 방법 중 스카프 패치를 이용한 수리는 손상부를 경사지게 연마한 후 그 위에 프리프레그(Prepreg)를 구조물의 두께만큼 적층하거나, 미리 경화된 적층판을 경사지게 가공하여 부착하는 방법이다. 스카프 수리는 계단형 수리보다 제작방법이 단순하며, 구조물의 두께와 관계없이 적용할 수 있고 패치 끝단의 응력집중이 작아 가장 널리 사용되는 보수 방법이다[8,9].
손상된 복합재 구조물을 수리하기 위한 기술은 무엇이 있는가? 손상된 복합재 구조물을 수리하기 위한 기술은 다양하다. 기계적 체결재를 이용한 수리[1], 수지 주입법을 이용한 수리[2], 외부 패치를 이용한 수리[3-5], 계단형 패치를 이용한 수리[6,7], 스카프 패치를 이용한 수리[8-12] 등이 그 예이다. 이러한 방법 중 스카프 패치를 이용한 수리는 손상부를 경사지게 연마한 후 그 위에 프리프레그(Prepreg)를 구조물의 두께만큼 적층하거나, 미리 경화된 적층판을 경사지게 가공하여 부착하는 방법이다.
스카프 수리는 어떤 방법인가? 이러한 방법 중 스카프 패치를 이용한 수리는 손상부를 경사지게 연마한 후 그 위에 프리프레그(Prepreg)를 구조물의 두께만큼 적층하거나, 미리 경화된 적층판을 경사지게 가공하여 부착하는 방법이다. 스카프 수리는 계단형 수리보다 제작방법이 단순하며, 구조물의 두께와 관계없이 적용할 수 있고 패치 끝단의 응력집중이 작아 가장 널리 사용되는 보수 방법이다[8,9]. 그러나 복합재 결함 부위에 스카프 패치를 적용한 연구는 단순화된 스카프 체결부에 대한 연구가 대부분이고, 실제 구조물을 모사한 단일겹침, 모자형, T형 등의 체결부 수리에 스카프 패치를 적용한 연구사례는 찾아보기가 힘들다.
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참고문헌 (17)

  1. Baker, A., Dutton, S., and Kelly, D., Composite Materials for Aircraft Structures, American Institute of Aeronautics and Astronautics, Inc., Reston, U.S.A, 2004. 

  2. Thunga, M., Larson, K., Lio, W., Weerasekera, T., Akinc, M., and Kessler, M.R., "Low Viscosity Cyanate Ester Resin for the Injection Repair of Hole-edge Delaminations in Bismaleimide/Carbon Fiber Composites," Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, Vol. 52, 2013, pp. 31-37. 

  3. Choi, J.W., Hwang, W., Park, H.C., and Han, K.S., "Study of Fatigue Behavior of Repaired Composites," Composite Research, Vol. 12, No. 3, 1999, pp. 26-35. 

  4. Lee, W.Y., and Lee, J.J., "Analysis of Fatigue Crack Growth Behavior in Composite-repaired Aluminum Plate," Composite Research, Vol. 17, No. 4, 2004, pp. 68-73. 

  5. Kong, C.D., Park, H.B., Lim, S.J., and Shin, C.J., "A Study on Compressive Strength of Carbon/epoxy Composite Structure Repaired with Bonded Patches after Impact Damage," Composite Research, Vol. 23, No. 5, 2010, pp. 15-21. 

  6. Kim, H.S., Lee, S.J., and Lee, D.G., "Development of a Strength Model for the Cocured Stepped Lap Joints under Tensile Loading," Composite Structures, Vol. 32, No. 1-4, 1995, pp. 593-600. 

  7. Kim, J.H., Park, B.J., and Han, Y.W., "Evaluation of Fatigue Characteristics for Adhesively-bonded Composite Stepped Lap Joint," Composite Structures, Vol. 66, No. 1-4, 2004, pp. 69-75. 

  8. Harman, A.B., and Wang, C.H., "Improved Design Methods for Scarf Repairs to Highly Strained Composite Aircraft Structure," Composite Structures, Vol. 75, No. 1-4, 2006, pp. 132-144. 

  9. Gunnion, A.J., and Herszberg, I., "Parametric Study of Scarf Joints in Composite Structures," Composite Structures, Vol. 75, No. 1-4, 2006, pp. 364-376. 

  10. Kumar, S.B., Sivashanker, S., Bag, A., and Sridhar, I., "Failure of Aerospace Composite Scarf-joints Subjected to Uniaxial Compression," Materials Science and Engineering: A, Vol. 412, No. 1-2, 2005, pp. 117-122. 

  11. Kumar, S.B., Sridhar, I., Sivashanker, S., Osiyemi, S.O., and Bag, A., "Tensile Failure of Adhesively Bonded CFRP Composite Scarf Joints," Materials Science and Engineering: B, Vol. 132, No. 1-2, 2006, pp. 113-120. 

  12. Breitzman, T.D., Iarve, E.V., Cook, B.M., Schoeppner, G.A., and Lipton, R.P., "Optimization of a Composite Scarf Repair Patch under Tensile Loading," Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, Vol. 40, No. 12, 2009, pp. 1921-1930. 

  13. ASTM D3165-07. Standard Test Method for Strength Properties of Adhesives in Shear by Tension Loading of Single-lap-joint Laminated Assemblies. 

  14. ASTM D1002-01. Standard Test Method for Apparent Shear Strength of Single-lap-joint Adhesively Bonded Metal Specimens by Tension Loading(metal-to-metal). 

  15. Anyfantis, K.N., and Tsouvalis, N.G., "Loading and Fracture Response of CFRP-to-steel Adhesively Bonded Joints with Thick Adherents - Part I: Experiment," Composite Structures, Vol. 96, 2013, pp. 850-857. 

  16. Kim, K.S., Yoo, J.S., Yi, Y.M., and Kim, C.G., "Failure Mode and Strength of Uni-directional Composite Single Lap Bonded Joints with Different Bonding Methods," Composite Structures, Vol. 72, No. 4, 2006, pp. 477-485. 

  17. Benard, Q., Fois, M., and Grisel, M., "Peel Ply Surface Treatment for Composite Assemblies: Chemistry and Morphology Effects," Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. Vol. 36, No. 11, 2005, pp. 1562-1568. 

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