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제안 방법
- 복합재 구조물에 대한 동특성 파악을 위하여 Figs. 12와 13과 같이 유한요소해석과 해머링 실험(Hammering Test)을 진행하였다.
- 또한, 예측한 정적 탄성 강성 값을 동적인 환경에서 적용 시 차이점이 있는지 확인하기 위하여 각기 다른 형상의 평판형 복합재 시편과 복합재 구조물을 제작한 뒤 유한요소해석과 실험에 대한 결과를 비교 분석하였다. 그리고 추가로 복합재 구조물의 등가성을 확인하기 위해 해석을 수행하였고 해석 물성치가 이방성 일때와 등가 등방성 일때에 대하여 서로 상사성을 가지는지 확인하였다.
- 기계적 물성치 도출 하기 위하여 0° 방향으로만 적층 된 시편과 0°/45° 방향으로 적층 된 시편을 Fig. 3과 같이 ASTM 규격에 맞게 제작하였으며, Fig. 4의 만능시험기 (UTM: Universal Testing Machine)를 이용하여 실험을 실시 한 후 강성 및 포아송비에 관한 내용은 식(7)과 식(8)을 이용하여 도출하였다.
- 본 연구에서는 Richardson이 제시하는 단방향 복합재 탄성 강성 예측 이론인 ROM (Rule of Mixture), HSR (Hart-Smith 10% Rule), CLA (Classical Laminate Analysis) 및 LAP (Laminate Analysis Program)을 활용하여 직조 타입 복합재인 HPW193/RS1222 소재의 탄성 강성을 예측하였다. 또한, 예측한 정적 탄성 강성 값을 동적인 환경에서 적용 시 차이점이 있는지 확인하기 위하여 각기 다른 형상의 평판형 복합재 시편과 복합재 구조물을 제작한 뒤 유한요소해석과 실험에 대한 결과를 비교 분석하였다. 그리고 추가로 복합재 구조물의 등가성을 확인하기 위해 해석을 수행하였고 해석 물성치가 이방성 일때와 등가 등방성 일때에 대하여 서로 상사성을 가지는지 확인하였다.
- 복합재 구조물은 표면의 미려한 가공 및 내부기공을 최소화를 위하여 Fig. 11과 같이 금형을 제작 후 내부에 구조물을 성형한 뒤 진공 팩 (Vaccum Pack)을 씌우고 가압, 가열 하여 성형하는 오토크레이브 제조 공법 (Autoclave Manufacturing Process)으로 성형하였으며, 여러 방향의 외란에 구조 강성이 확보되도록 0°/45° 방향으로 적층 하였다.
- 5 mm두께가 되도록 적층 하였으며, 형상에 따른 차이점 분석을 위하여 서로 다른 형상으로 제작하였다. 시편 실험은 Fig. 6과 같이 시편을 치구로 고정 한 뒤 진동 가진기를 이용하여 0.004g2/Hz, 5-500 Hz 주파수의 랜덤진동(Random Vibration)을 입력하였고, 해당 입력에 대한 응답 파워스펙트럼밀도 (PSD: Power Spectrum Density)를 Fig. 7에 나타내었다.
- 앞서 언급한 예측 이론에 따르면 복합재 구조물은 재료의 적층 방향에 따라 Krenchel’s Factor에 의해 강성이 변한다. 시편은 비교적 형상이 단순한 편에 속해서, 이론에 의한 예측이 가능할 수 있지만 구조물의 경우 적층 방향이 복잡하여 이론에 의한 예측이 어려우므로 복합재 구조물의 동특성에 대한 검토를 수행하였다.
- 앞서 언급한 탄성 강도 예측 이론과 기계적 물성 실험으로부터 도출한 정적 강성과 기계적 물성치를 활용하여 시편의 동적 거동을 분석하였다. 분석 방법은 유한요소해석과 진동 실험을 수행하여 진행하였다.
- 얇은 박판 형태에 비해 가속도 센서와 케이블은 실험에 충분히 영향을 줄 수 있는 요소이므로 유한요소해석 모델 생성 시 해석에 반영을 하였다.
- 요소는 Hexa요소와 Tetra요소를 혼합하여 사용하였고, 해석 간 요소 왜곡에 의한 오류를 줄이기 위하여 엘리먼트의 품질 (Elements Quality)이 85% 이상 유지되도록 하였다.
- 유한요소해석은 ANSYS 社의 Workbench를 활용하였으며 Fig. 8과 같이 솔리드 모델 생성한 후, 복합재 물성 방향 지정을 하기 위하여 로컬 좌표축을 생성한 뒤 적층 방향을 반영하였고, 해석에 입력된 물성치는 앞서 진행하였던 기계적 물성 실험과 탄성 강성 예측 이론을 바탕으로 획득한 탄성 강성과 전단 강성 그리고 밀도를 적용하였다.
- 유한요소해석은 복합재 부분은 쉘 (Shell) 모델을 실시하였고 내측 리브부위는 등가 솔리드(Equivalent Soild) 요소로 모델링을 하였으며, 알루미늄 금형부는 솔리드 요소로 모델링 하였다.
- 해머링 실험은 임팩트 해머 (Impact Hammer)를 복합재 구조물에 타격하여 고유 진동수와 모드 형상(Mode Shape)을 도출하였다. 해머링 실험에 사용한 장비는 B&K 社의 PULSE 장비를 사용하였으며, 타격 망치는 DYTRAN 社의 5800 Series 제품을 사용하였다.
대상 데이터
- 대상 복합재 구조물의 형상은 Fig. 9와 같이 4가지 종류이며, 형상에 따른 차이점 분석을 위하여 서로 다른 형상으로 제작하였다.
- 실험에 사용한 복합재 시편은 Fig. 5와 같이 0°/45° 방향으로 2.5 mm두께가 되도록 적층 하였으며, 형상에 따른 차이점 분석을 위하여 서로 다른 형상으로 제작하였다.
- 해머링 실험에 사용한 장비는 B&K 社의 PULSE 장비를 사용하였으며, 타격 망치는 DYTRAN 社의 5800 Series 제품을 사용하였다.
데이터처리
- 앞서 언급한 탄성 강도 예측 이론과 기계적 물성 실험으로부터 도출한 정적 강성과 기계적 물성치를 활용하여 시편의 동적 거동을 분석하였다. 분석 방법은 유한요소해석과 진동 실험을 수행하여 진행하였다.
이론/모형
- 본 연구에서는 Richardson이 제시하는 단방향 복합재 탄성 강성 예측 이론인 ROM (Rule of Mixture), HSR (Hart-Smith 10% Rule), CLA (Classical Laminate Analysis) 및 LAP (Laminate Analysis Program)을 활용하여 직조 타입 복합재인 HPW193/RS1222 소재의 탄성 강성을 예측하였다. 또한, 예측한 정적 탄성 강성 값을 동적인 환경에서 적용 시 차이점이 있는지 확인하기 위하여 각기 다른 형상의 평판형 복합재 시편과 복합재 구조물을 제작한 뒤 유한요소해석과 실험에 대한 결과를 비교 분석하였다.
- 즉, 상기의 방법으로 제작한 구조물의 경우 직교 이방성 재료인 복합재로 구조물을 제작하였더라도 등방성 재료와 유사한 동특성을 나타낼 수 있으므로 이에 대한 동적 응답 확인을 위하여 짧은 섬유 복합재의 등방성 물성치 변환하는 식(9) - 식(11)을 활용하여 등방성 물성치를 도출하였다.
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