본 논문에서는 두께와 재료의 구성이 변하는 복잡한 형상의 복합재 샌드위치 구조의 파손 거동을 연구하였다. 구조물은 두께가 일정한 알루미늄 하니콤 코어 샌드위치 판넬이, 두께가 줄어드는 폼코어 샌드위치 천이부를 거쳐, 최종적으로는 면재와 면재가 만나 단순 적층판을 이루면서 다른 구조물에 체결되는 형상을 갖는다. 하중은 인장 및 압축하중의 형태로 가해지며 각 3개씩 총 6개 시편에 대한 시험을 수행하였다. 시험 결과 압축시험의 경우 재료불연속선을 따른 면재의 파손에 취약하며, 재료불연속선을 따른 파손을 피할 수 있는 경우 알루미늄 코어와 카본 면재의 디본딩에 의한 파손이 나타남을 알 수 있었다. 파손하중은 디본딩에 의한 파손까지 견디는 경우가 약 16% 높게 나타났다. 인장시험의 경우 파손모드는, 곡률부를 갖는 복합재 구조물에서 가장 취약한 부분인, 플랜지와 웹이 만나는 곡률부의 층간분리 파손이 주를 이루었다. 파손하중은 압축하중이 인장하중에 비하여 약7배 가량 높은 것으로 나타났다. 따라서 본 구조물은 주로 압축하중을 견디기 위한 목적의 구조물에 적용하여야 할 것으로 보인다.
본 논문에서는 두께와 재료의 구성이 변하는 복잡한 형상의 복합재 샌드위치 구조의 파손 거동을 연구하였다. 구조물은 두께가 일정한 알루미늄 하니콤 코어 샌드위치 판넬이, 두께가 줄어드는 폼코어 샌드위치 천이부를 거쳐, 최종적으로는 면재와 면재가 만나 단순 적층판을 이루면서 다른 구조물에 체결되는 형상을 갖는다. 하중은 인장 및 압축하중의 형태로 가해지며 각 3개씩 총 6개 시편에 대한 시험을 수행하였다. 시험 결과 압축시험의 경우 재료불연속선을 따른 면재의 파손에 취약하며, 재료불연속선을 따른 파손을 피할 수 있는 경우 알루미늄 코어와 카본 면재의 디본딩에 의한 파손이 나타남을 알 수 있었다. 파손하중은 디본딩에 의한 파손까지 견디는 경우가 약 16% 높게 나타났다. 인장시험의 경우 파손모드는, 곡률부를 갖는 복합재 구조물에서 가장 취약한 부분인, 플랜지와 웹이 만나는 곡률부의 층간분리 파손이 주를 이루었다. 파손하중은 압축하중이 인장하중에 비하여 약7배 가량 높은 것으로 나타났다. 따라서 본 구조물은 주로 압축하중을 견디기 위한 목적의 구조물에 적용하여야 할 것으로 보인다.
The failure of composite sandwich structures with thickness and material variation was studied. The main body of the structure is sandwich plate made of the carbon composite face and Aluminum honeycomb core. It is connected with composite laminated flange without core through transition region of ta...
The failure of composite sandwich structures with thickness and material variation was studied. The main body of the structure is sandwich plate made of the carbon composite face and Aluminum honeycomb core. It is connected with composite laminated flange without core through transition region of tapered sandwich panel with foam core. Tension and compression tests were conducted for the total of 6 panels, 3 for each. Test results showed that the panels under compression are vulnerable to the face failure along the material discontinuity line between two different cores. However the failure load of which panel does not show such failure can carry 16% more load and fails in honeycomb core and face debonding. For the tensile load, the extensive delamination failure was observed at the corner radius which connects the panel and the flange. The average failure load for compression is about 7 times the tensile failure load. Accordingly, these sandwich structures should be applied to the components that endure the compressive loadings.
The failure of composite sandwich structures with thickness and material variation was studied. The main body of the structure is sandwich plate made of the carbon composite face and Aluminum honeycomb core. It is connected with composite laminated flange without core through transition region of tapered sandwich panel with foam core. Tension and compression tests were conducted for the total of 6 panels, 3 for each. Test results showed that the panels under compression are vulnerable to the face failure along the material discontinuity line between two different cores. However the failure load of which panel does not show such failure can carry 16% more load and fails in honeycomb core and face debonding. For the tensile load, the extensive delamination failure was observed at the corner radius which connects the panel and the flange. The average failure load for compression is about 7 times the tensile failure load. Accordingly, these sandwich structures should be applied to the components that endure the compressive loadings.
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문제 정의
이 경우 파손의 양상을 해석적으로 연구하는 데에는 많은 어려움이 있다. 따라서 본 연구에서는 해석을 위한 시험 데이터를 수집하기 위한 기초 연구로서 알루미늄 플렉스(aluminum flex) 하니콤과 PMI 폼 두 재료를 코어로 하고 탄소 복합재를 면재로 하는 복합재 샌드위치 구조에 대한 파손거동을 연구하였다. 샌드위치 구조와 타 구조물을 조립하는 상황을 모사하기 위해 샌드위치의 두께를 변화시키면서 끝단에서는 코어가 없는 단순한 적층판 구조가 되게 하고, 인접한 구조물과는 적층판 플랜지에서 볼트로 체결되는 상황을 가정하였다.
본 연구에서는 이종재료 코어와 카본 면재로 구성된 두께가 변하는 샌드위치 구조물의 인장 및 압축 파손거동을 시험으로 연구하였다. 샌드위치 구조물은 타구조물과의 체결을 위해 두께가 얇아지는 천이부를 거쳐 최종적으로 복합재 적층판 플랜지와 연결된다.
가설 설정
따라서 본 연구에서는 해석을 위한 시험 데이터를 수집하기 위한 기초 연구로서 알루미늄 플렉스(aluminum flex) 하니콤과 PMI 폼 두 재료를 코어로 하고 탄소 복합재를 면재로 하는 복합재 샌드위치 구조에 대한 파손거동을 연구하였다. 샌드위치 구조와 타 구조물을 조립하는 상황을 모사하기 위해 샌드위치의 두께를 변화시키면서 끝단에서는 코어가 없는 단순한 적층판 구조가 되게 하고, 인접한 구조물과는 적층판 플랜지에서 볼트로 체결되는 상황을 가정하였다. 하중은 인장과 압축을 각각 고려하였다.
제안 방법
따라서 본 연구에서는 먼저 상온에서 하루동안 경화시킨 후 66°C에서 1시간 동안 추가로 경화하는 공정을 사용하였다.
시편의 기하학적 형상에 따라 시편 두께방향의 중심축을 설정할 수가 없어 시험 진행 시 시험기의 중앙에 치구를 위치시켰다. 또한 하중이 가해질 때 시편과 시험장비의 횡방향 접촉이 완벽하게 이루어지지 않았을 가능성이 있다고 판단되나 그 차이가 미비하므로 결과에 큰 영향을 미치지 않을 것이라 판단되어 시험을 진행하였다.
압축 및 인장 총 2종류의 시험을 위해 각 3개씩 총 6개의 시편을 제작하였다. 면재와 심재의 접착에는 필름형 접착제를 사용하였고 시편과 치구의 체결을 위하여 Fig. 1과 같이 2개의 인서트를 설치하였다. 구조물은 모두 관련기관인 국방과학연구소에서 설계하였으며 그에 따라 한국화이바에서 오토클레이브 공정을 통하여 제작하였다.
4(b)와 같이 포팅 재료를 사용하여 시편을 채널 속에 고정한 뒤 다시 볼트를 사용하여 채널을 치구에 고정하는 형태가 된다. 시편의 기하학적 형상에 따라 시편 두께방향의 중심축을 설정할 수가 없어 시험 진행 시 시험기의 중앙에 치구를 위치시켰다. 또한 하중이 가해질 때 시편과 시험장비의 횡방향 접촉이 완벽하게 이루어지지 않았을 가능성이 있다고 판단되나 그 차이가 미비하므로 결과에 큰 영향을 미치지 않을 것이라 판단되어 시험을 진행하였다.
시험에 사용된 장비는 한국 산업기술시험원 소유의 Zwick SP1200이고 최대하중은 120톤이다. 시험 결과 분석을 위해 플랜지의 곡률 부분에 백투백(back to Back) 형식으로 총 4개의 스트레인게이지를 부착하였다. 스트레인게이지는 TML사의 1축 상온용 FLA 시리즈이다.
7과 같다. 시험장치의 특성상 하중과 변형률의 동기화가 어려워 시간에 따른 변형률 정보를 제시하였다. 하중이 가해지는 초기에는 판넬의 휨보다는 면내 압축하중이 지배적이므로 양면에 부착된 게이지 모두에서 음의 값이 나타난다.
인장과 압축을 위한 시험 치구는 상하부로 구분하여 제작하였다. Fig.
인장시험 또한 표준규격이 존재하지 않으므로 관련기관 간의 협의를 통하여 분당 1 mm 속도로 하중을 가하였다. 스트레인게이지의 부착 위치, 상부 치구와 시편의 체결방법 등은 압축의 경우와 같다.
대상 데이터
1과 같이 2개의 인서트를 설치하였다. 구조물은 모두 관련기관인 국방과학연구소에서 설계하였으며 그에 따라 한국화이바에서 오토클레이브 공정을 통하여 제작하였다.
본 연구에서 사용된 샌드위치 구조는 Fig. 1에 보인 바와 같이 탄소섬유 면재와 알루미늄 플렉스 코어 및 폼 코어로 구성되고, 구조의 두께가 변하면서, 샌드위치가 체결부에서는 단순 적층판으로 변하는 복잡한 형상을 갖는다. Fig.
5 mm이다. 시험에 사용된 장비는 한국 산업기술시험원 소유의 Zwick SP1200이고 최대하중은 120톤이다. 시험 결과 분석을 위해 플랜지의 곡률 부분에 백투백(back to Back) 형식으로 총 4개의 스트레인게이지를 부착하였다.
샌드위치 구조의 면 재는 탄소섬유 일방향 프리프레그로 제작되었고 그림과 같이 상하 면재가 만나 단순 적층판이 되는 일체형 구조이다. 압축 및 인장 총 2종류의 시험을 위해 각 3개씩 총 6개의 시편을 제작하였다. 면재와 심재의 접착에는 필름형 접착제를 사용하였고 시편과 치구의 체결을 위하여 Fig.
압축시험에서는 부품 1과 4을 사용하지 않고 시험기에 부착된 평판을 통해 부품 2와 3에 직접 하중을 가하게 된다. 치구의 재료는 항복점 834 MPa 이상, 인장강도 980 MPa 이상인 SCM 440 스틸이다.
이론/모형
본 연구에서 진행된 압축시험은 구조물에 대한 시험이므로 시험을 위한 표준규격이 제시되어 있지 않다. 따라서 치구의 설계와 시험방법에 대한 자세한 사항은 샌드위치에 대한 압축시험 규격인 ASTM C364[20]를 참고하였다. 하중의 속도는 분당 0.
성능/효과
압축하중의 경우 폼 코어와 하니콤 코어가 만나는 재료불연속 부분에서 결함에 의한 면재의 압축파손이 주된 파손모드였다. 그러나 면재의 결함에 의한 파손이 발생하지 않을 경우 약 16%의 추가 적인 하중을 지지하고 파손도 하니콤 코어와 카본 면재의 디본딩 형태로 발생하는 것을 확인하였다. 압축시험의 결과로부터 본 연구에 사용된 것과 같은 형태의 샌드위치 구조물의 경우 압축강도는 제작과정에서 재료 불연속에 의한 면재 결함을 최소화하는 것이 중요함을 알 수 있었다.
층간분리의 확장은 육안으로도 확인 가능하며 별도의 장치 없이도 균열이 전파되는 소리를 들을 수 있었다. 또한 두 개의 볼트에서 풀아웃 (pull-out) 집중하중을 가하였기 때문에 Fig. 9에 보인 바와 같이 볼트 주변에서 시편의 변형이 상대적으로 더 크게 발생하는 것을 확인할 수 있었다.
08로 신뢰할 수 있는 값으로 볼 수 있다. 복합재 면재의 파손이 재료불연속 경계면에서 발생 하지 않은 3번 시편의 파손하중은, 재료불연속 경계를 따라 파손이 발생한 시편 즉 1, 2번 시편의 파손하중보다 약 16% 높게 나타났다. 1, 2번 시편은 이종 재료 경계면에서의 파손으로 인해 낮은 파손하중을 보였다.
압축시험 결과는 Table 1에 요약하였다. 시험결과 평균 파손하중은 295 kN이며 시험 결과의 변동계수는 0.08로 신뢰할 수 있는 값으로 볼 수 있다. 복합재 면재의 파손이 재료불연속 경계면에서 발생 하지 않은 3번 시편의 파손하중은, 재료불연속 경계를 따라 파손이 발생한 시편 즉 1, 2번 시편의 파손하중보다 약 16% 높게 나타났다.
1.1 압축
압축시험 결과 3개의 시편 중 두 개(1, 2번) 시편에서는 복합재 면재의 압축파손 후 폼 코어의 파손이 발생하면서 최종파손에 도달하였다
. 의미 있게 살펴보아야 할 것은 Fig.
그러나 면재의 결함에 의한 파손이 발생하지 않을 경우 약 16%의 추가 적인 하중을 지지하고 파손도 하니콤 코어와 카본 면재의 디본딩 형태로 발생하는 것을 확인하였다. 압축시험의 결과로부터 본 연구에 사용된 것과 같은 형태의 샌드위치 구조물의 경우 압축강도는 제작과정에서 재료 불연속에 의한 면재 결함을 최소화하는 것이 중요함을 알 수 있었다. 인장하중의 경우 주된 파손모드는 플랜지와 웹이 만나는 곡률부의 층간분리이며 파손하중도 압축하중 대비 약 1/7 정도에 불과하였다.
총 3개의 시편에 대한 시험을 수행한 인장 시험의 결과 모든 시편에서 동일한 파손모드가 나타났다. 시편의 주된 파손모드는 적층판 플랜지와 웹이 만나는 곡률부(corner radius)에서의 층간분리이다.
곡률부의 파손은 중립면 근처에서 두께방향 응력이 크기 때문이며, 이는 참고문헌[21]의 해석결과로도 확인된 바 있다. 층간분리의 확장은 육안으로도 확인 가능하며 별도의 장치 없이도 균열이 전파되는 소리를 들을 수 있었다. 또한 두 개의 볼트에서 풀아웃 (pull-out) 집중하중을 가하였기 때문에 Fig.
후속연구
1, 2번 시편은 이종 재료 경계면에서의 파손으로 인해 낮은 파손하중을 보였다. 따라서 본 연구에서와 같은 형상을 가지는 구조가 효과적으로 압축하중을 지지하기 위해서는 이종 재료가 결합되는 재료불연속 영역의 제작이 정교하게 이루어져야 할 것으로 판단된다.
인장하중의 경우 주된 파손모드는 플랜지와 웹이 만나는 곡률부의 층간분리이며 파손하중도 압축하중 대비 약 1/7 정도에 불과하였다. 본 연구에서 사용한 구조물의 인장하중 지지력을 높이기 위해서는 곡률부에서의 층간분리 방지를 위한 별도의 보강을 하거나 하중전달 기구를 다르게 설계할 필요가 있을 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
복합재 샌드위치 구조의 장점은 무엇인가?
섬유강화 복합재료(fiber reinforced composite)는 기존 금속재료에 비해 우수한 비강도, 비강성 특성으로 인해 다양한 산업분야에서 적용되고 있다. 특히 높은 강성을 가지는 복합재 면재(face)와 낮은 중량을 가지는 코어(core)로 구성된 복합재 샌드위치 구조는 무게 증가를 최소화하면서 굽힘강성을 크게 증가시킬 수 있는 효율적인 구조로 항공우주분야뿐만 아니라 자동차, 선박 등 광범위한 산업분야에서 사용되고 있다. 복합재 샌드위치 구조의 활용범위가 확대됨에 따라 국내외에서 관련 연구가 활발히 진행되고 있다[1-9].
섬유강화 복합재료의 특성은 무엇인가?
섬유강화 복합재료(fiber reinforced composite)는 기존 금속재료에 비해 우수한 비강도, 비강성 특성으로 인해 다양한 산업분야에서 적용되고 있다. 특히 높은 강성을 가지는 복합재 면재(face)와 낮은 중량을 가지는 코어(core)로 구성된 복합재 샌드위치 구조는 무게 증가를 최소화하면서 굽힘강성을 크게 증가시킬 수 있는 효율적인 구조로 항공우주분야뿐만 아니라 자동차, 선박 등 광범위한 산업분야에서 사용되고 있다.
샌드위치 구조의 체결부에 대한 연구는 어떻게 진행되고 있는가?
샌드위치 구조의 체결부(joint)에 대한 연구도 활발하게 진행되고 있다[10-20]. Erkan 등[10]은 샌드위치 판넬의 코어 종결부의 형상에 따른 파손모드를 시험과 유한요소해석을 통하여 연구하였다. Choi 등[15]은 샌드위치 판넬과 복합재 적층판의 단일겹침 접착 체결부의 강도에 대한 온습도 환경효과를 시험 수행하였다. Park 등[16]은 인서트 (insert) 형식 체결부와 포팅(potting) 형식 체결부에 대해 인장시험을 수행하여 체결부의 형상이 샌드위치 구조에 미치는 영향을 연구하였다. Cho 등[17]은 샌드위치 구조의 T-형상 체결부에 대해 접합부의 형상이 구조의 강도에 미치는 영향을 연구하였다. Kim 등[19]은 새롭게 개발한 강도 향상 인서트에 대한 체결부를 제작하여 강도 향상 효과를 연구하였다.
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