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새로운 형상의 복합재 샌드위치 체결부 구조의 파손거동 연구
An Experimental Study on the Failure of a Novel Composite Sandwich Structure 원문보기

Composites research = 복합재료, v.29 no.4, 2016년, pp.209 - 215  

곽병수 (Department of Aerospace Engineering, Gyeongsang National University) ,  김홍일 (Agency for Defense Development) ,  동승진 (Hankuk Fiber Co., Ltd. Defence and Aerospace Division) ,  최진호 (School of Mechanical, Aerospace and Information Engineering, Gyeongsang National University) ,  권진회 (School of Mechanical, Aerospace and Information Engineering, Gyeongsang National University)

초록
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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.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

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...

주제어

AI 본문요약
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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.
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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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참고문헌 (21)

  1. Gdoutos, E.E., Daniel, I.M., and Wang, K.-A., "Compression Facing Wrinkling of Composite Sandwich Structures," Mechanics of Materials, Vol. 35, No. 3-6, 2003, pp. 511-522. 

  2. Daniel, I.M., and Abot, J.L., "Fabrication, Testing and Analysis of Composite Sandwich Beams," Composites Science and Technology, Vol. 60, No. 12-13, 2000, pp. 2455-2463. 

  3. Petras, A., and Sutcliffe, M.P.F., "Failure Mode Maps for Honeycomb Sandwich Panels," Composite Structures, Vol. 44, No. 4, 1999, pp. 237-252. 

  4. Othman, A.R., and Barton, D.C., "Failure Initiation and Propagation Characteristics of Honeycomb Sandwich Composites," Composite Structures, Vol. 85, No. 2, 2008, pp. 126-138. 

  5. Davies, G.A.O., Hitchings, D., Besant, T., Clarke, A., and Morgan, C., "Compression after Impact Strength of Composite Sandwich Panels," Composite Structures, Vol. 63, No. 1, 2004, pp. 1-9. 

  6. Mamalis, A.G., Manolakos, D.E., Loannidis, M.B., and Papapostolou, D.P., "On the Crushing Response of Composite Sandwich Panels subjected to Edgewise Compression: Experimental," Composite Structures, Vol. 71, No. 2, 2005, pp. 246-257. 

  7. Mouritz, A.P., Gellert, E., Burchill, P., and Challis, K., "Review of Advanced Composite Structure for Naval Ships and Submarines," Composite Structures, Vol. 53, No. 1, 2001, pp. 21-42. 

  8. Kim, K.S., and Jang, Y.S., "Structural Analysis of Composite Sandwich Panel under Compression Loading," Korea Aerospace Research Institute, Vol. 9, No. 1, 2010, pp. 9-16. 

  9. Jeon, K.W., Shin, K.B., Ko, H.Y., and Kim, D.H., "A Study on Low-Velocity Impact Characterization of Honeycomb Sandwich Panels According to the Changes of Impact Location and Core Fabrication Angles," The Korean Society of Mechanical Engineers, Vol. 33, No. 1, 2009, pp. 64-71. 

  10. Oterkus, E., Guven, I., and Madenci, E., "Effect of Core Termination Features on Failure Modes in Sandwich Panels by Using Peridynamic Theory," Proceeding of the 51st AIAA/ ASME/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics and Materials Conference, Florida, United States, April, 2010. 

  11. Evertz, R.L., Investigation of Core Closeouts in Fiber-Reinforced Sandwich Laminates, Master Thesis, Montana State University, United States, 2000. 

  12. Cao, J., and Grenestedt, J.L., "Design and Testing of Joints for Composite Sandwich/Steel Hybrid Ship Hulls," Composite Part A, Vol. 35, No. 9, 2004, pp. 1091-1105. 

  13. Demelio, G., Genovese, K., and Pappalettere, C., "An Experimental Investigation of Static and Fatigue Behaviour of Sandwich Composite Panels Joined by Fasteners," Composite Part B, Vol. 32, No. 4, 2001, pp. 299-308. 

  14. Ramakrishna, S., Hamada, H., and Nishiwaki, M., "Bolted Joints of Pultruded Sandwich Composite Laminates," Composite Structures, Vol. 32, No. 1-4, 1995, pp. 227-235. 

  15. Choi, B.H., Shin, S.J., Song, M.H., Choi, J.H., and Kweon, J.H., "Strength of Sandwich-to-Laminate Single-lap Bonded Joints in Elevated Temperature and Wet Condition," Journal of the Korean Society for Aeronautical and Space Science, Vol. 38, No. 11, 2010, pp. 1115-1122. 

  16. Park, Y.B., Cho, H.I., Choi, J.H., and Kweon, J.H., "Effect of Joining Methods on the Failure of Aluminum Honeycomb Sandwich Joints under Shear Loading," Journal of the Korean Society for Aeronautical and Space Science, Vol. 39, No. 7, 2011, pp. 643-651. 

  17. Cho, K.D., Ha, S.R., Kang, K.H., Kim, J.E., and Yang, S.C., "An Experimental Study on the Mechanical Properties of T-Joints Structure using CFRP/Al Honeycomb Sandwich Composite," Journal of the Korean Society for Precision Engineering, Vol. 29, No. 3, 2012, pp. 313-318. 

  18. Jang, H.J., Kang, S.G., Shin, K.B., and Han, S.H., "A Study on the Joint Technique of Dissimilar Materials for Hybrid Lightweight Modular Carbody Structures Made of Aluminum Extrusion and Sandwich Composites," Proceeding of the 2012 Korean Society for Railway Spring Conference, Mokpo, Korea, May 2012, pp. 785-787. 

  19. Kim, K.S., An, J.M., Jang, Y.S., and Yi, Y.M., "Strength Improvement of Insert Joint for Composite Sandwich Structure," Journal of the Korean Society for Aeronautical and Space Science, Vol. 38, No. 1, 2010, pp. 29-34. 

  20. Standard Test Method for Edgewise Compressive Strength of Sandwich Constructions, ASTM Standard C364. 

  21. Kim, J.H., Han, J.S., Bae, B.H., Choi, J.H., and Kweon, J.H., "Manufacturing and Structural Analysis of Thick Composite Spar using AFP Machine," Composite Research, Vol. 28, No. 4, 2015, pp. 212-218. 

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