본 연구에서는 탄소섬유강화 복합재의 제작 시 열 잔류응력으로 인한 변형을 유한요소 프로그램 ABAQUS에서 User Subroutine을 이용한 유한요소 해석을 통해 예측한다. 탄소섬유강화 복합재의 변형에 영향을 주는 다양한 요인 중 온도구배, 제품 형상, 적층각 및 적층순서, 수지의 화학수축, 열 잔류응력을 고려한 복합재 성형을 해석하였다. 같은 형상의 실제 모델과 해석 모델의 결과를 비교한다. 또한 해석 결과를 분석하여 실제 제작의 오차에 적용하여 실제 제작에서의 성형 완성도를 높이는데 목적이 있다.
본 연구에서는 탄소섬유강화 복합재의 제작 시 열 잔류응력으로 인한 변형을 유한요소 프로그램 ABAQUS에서 User Subroutine을 이용한 유한요소 해석을 통해 예측한다. 탄소섬유강화 복합재의 변형에 영향을 주는 다양한 요인 중 온도구배, 제품 형상, 적층각 및 적층순서, 수지의 화학수축, 열 잔류응력을 고려한 복합재 성형을 해석하였다. 같은 형상의 실제 모델과 해석 모델의 결과를 비교한다. 또한 해석 결과를 분석하여 실제 제작의 오차에 적용하여 실제 제작에서의 성형 완성도를 높이는데 목적이 있다.
This paper predicted deformation due to thermal residual stress in composites using finite element analysis. Temperature cycle, Model shape, Laminate angle, Stacking sequence, chemical shrinkage of resin, and thermal expansion are affect composite deformation. Compare the results of the analytical m...
This paper predicted deformation due to thermal residual stress in composites using finite element analysis. Temperature cycle, Model shape, Laminate angle, Stacking sequence, chemical shrinkage of resin, and thermal expansion are affect composite deformation. Compare the results of the analytical model with the actual model of the same shape. This paper suggests that the analytical results can be applied to actual Model.
This paper predicted deformation due to thermal residual stress in composites using finite element analysis. Temperature cycle, Model shape, Laminate angle, Stacking sequence, chemical shrinkage of resin, and thermal expansion are affect composite deformation. Compare the results of the analytical model with the actual model of the same shape. This paper suggests that the analytical results can be applied to actual Model.
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문제 정의
본 연구에서는 ABAQUS Subroutine을 사용한 수지의 경화도 발달을 모사하며 복합재 구성방정식의 접근방법인 CHILE 모델을 적용하여 복합재의 물성치 변형을 모사하여 열잔류응력이 최종 성형 변형에 미치는 영향을 예측하고자 한다. 모델의 타당성을 검증하기 위하여 기존 연구에서의 실험결과와 값을 비교하였으며 결과를 토대로 모델을 수정하여 원하는 각도의 형상을 제작할 수 있는지도 해석해 보았다.
본 연구에서는 복합재료의 특성을 고려하여 실제 성형 시 예상되는 변형을 해석을 통해 예측하고 이를 분석하여 실제 제작에 영향을 미치는 요인을 파악하기 위한 연구이다. 온도구배, 제품 형상, 적층각 및 적층순서, 수지의 화학수축, 열 잔류응력, mold 조건 등을 고려한 해석 후 결과 비교를 통해 실제 제작에서의 변형을 예측하고 해석 조건 수정을 통한 변형의 정도 또한 알아낼 수 있다.
제안 방법
본 연구에서는 ABAQUS Subroutine을 사용한 수지의 경화도 발달을 모사하며 복합재 구성방정식의 접근방법인 CHILE 모델을 적용하여 복합재의 물성치 변형을 모사하여 열잔류응력이 최종 성형 변형에 미치는 영향을 예측하고자 한다. 모델의 타당성을 검증하기 위하여 기존 연구에서의 실험결과와 값을 비교하였으며 결과를 토대로 모델을 수정하여 원하는 각도의 형상을 제작할 수 있는지도 해석해 보았다.
복합재의 성형 시 변형에 영향을 주는 요인 다양하게 있지만 본 연구에서는 그 중 일부분인 경화도 모델 형상, 온도 구배, 화학 수축, 복합재료 등 일부분의 요인을 구현하여 실제 제작과 비교하였다. 추가적인 요인을 적용하여 해석을 실시한다면 다양한 형상의 조건에서도 실험과 해석의 결과의 신뢰성이 더욱 높아질 것으로 예상된다.
탄소강화복합재의 성형 예측을 하기 위해서는 잔류응력을 계산해야 되고 이를 해석을 통해 알아보기 위해 복합재의 물성변화를 고려하여 응력을 계산한다. 물성변화를 고려한 구성방정식은 여러 방법이 있으며 본 연구에서는 CHILE(Cure hardening instantaneously liner elastic) model을 사용하여 물성변화를 고려하였다.
대상 데이터
본 연구에서는 복합재 해석의 타당성을 확인하기 위해 탄소강화복합재모델을 L-shape 형상의 적층각 [0/45]2s의CYCOM 970 물성으로 제작하였다. θ°의 각도로 벌어져있으며 플랜지의 폭은 70 mm이며 길이는 300 mm, 1 ply 당 두께는 0.
데이터처리
곡선부분의 안쪽 반지름은 8 mm이다. 해석과 실험을 같은 조건의 모델을 Convex mold와 Concave mold 케이스로 설계하여 결과를 비교하였다. 모델의 케이스는 Table 3과 같다.
이론/모형
탄소강화복합재의 성형 예측을 하기 위해서는 잔류응력을 계산해야 되고 이를 해석을 통해 알아보기 위해 복합재의 물성변화를 고려하여 응력을 계산한다. 물성변화를 고려한 구성방정식은 여러 방법이 있으며 본 연구에서는 CHILE(Cure hardening instantaneously liner elastic) model을 사용하여 물성변화를 고려하였다.
성능/효과
또한 위치에 따른 분포 또한 Convex mold에서의 결과가 균일하게 분포되고 있는 것을 확인할 수 있었다. 복합재의 제품을 제작할 때 같은 형상이지만 압력이 가해지는 방향에 따라 제작 결과의 차이가 난다는 것을 확인할 수 있었다.
후속연구
복합재의 성형 시 변형에 영향을 주는 요인 다양하게 있지만 본 연구에서는 그 중 일부분인 경화도 모델 형상, 온도 구배, 화학 수축, 복합재료 등 일부분의 요인을 구현하여 실제 제작과 비교하였다. 추가적인 요인을 적용하여 해석을 실시한다면 다양한 형상의 조건에서도 실험과 해석의 결과의 신뢰성이 더욱 높아질 것으로 예상된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
복합재의 성형과정에서 어떤 요인들이 변형을 일으키게 되는가?
탄소섬유강화 복합재는 탄소섬유와 접착제인 액체 수지(Resin)를 함께 넣어 열과 압력을 가해 성형한다. 복합재의 특성상 성형과정에서 제품의 형상,몰드의 형상, 적층각 및 적층순서, 섬유와 수지의 열팽창계수 차이, 수지의 화학수축(Chemical shrinkage), 온도구배, 열 잔류응력 등 다양한 요인들에 의해 변형이 일어나게 되어 결과물의 형상을 예측하기가 어렵다. 복합재의 성형결과의 오차가 있고 이를 최초 구조설계제품에 조립 시 초기응력이 발생하게 되어 구조물의 전체강도 저하를 야기시킨다.
탄소섬유강화 복합재는 어떻게 성형하는가?
이처럼 복합재의 사용량이 증가함에 따라 복합재의 성형 품질에 대한정밀도 향상, 생산 속도의 증가 등을 위한 연구 및 실험이 활발하게 진행되고 있다. 탄소섬유강화 복합재는 탄소섬유와 접착제인 액체 수지(Resin)를 함께 넣어 열과 압력을 가해 성형한다. 복합재의 특성상 성형과정에서 제품의 형상,몰드의 형상, 적층각 및 적층순서, 섬유와 수지의 열팽창계수 차이, 수지의 화학수축(Chemical shrinkage), 온도구배, 열 잔류응력 등 다양한 요인들에 의해 변형이 일어나게 되어 결과물의 형상을 예측하기가 어렵다.
복합재 성형 전 해석프로그램을 사용한 성형예측에 대한 연구가 활발히 진행되는 이유는 무엇인가?
복합재의 특성상 성형과정에서 제품의 형상,몰드의 형상, 적층각 및 적층순서, 섬유와 수지의 열팽창계수 차이, 수지의 화학수축(Chemical shrinkage), 온도구배, 열 잔류응력 등 다양한 요인들에 의해 변형이 일어나게 되어 결과물의 형상을 예측하기가 어렵다. 복합재의 성형결과의 오차가 있고 이를 최초 구조설계제품에 조립 시 초기응력이 발생하게 되어 구조물의 전체강도 저하를 야기시킨다. 성형오차를 줄이기 위해서는 복합재 성형 몰드의 수정을 통한 반복제작을 해야 되고 이로 인해 제작 기간 증가 및 제작비용 증가로 이어진다. 그리하여 복합재 성형 전 해석프로그램을 사용하여 성형예측을 하는 연구가 활발히 진행되고 있다[1-6].
참고문헌 (9)
(International Journal) Ning, Q.G., and Chou, T.W., "A Closed-Form Solution of the Transverse Effective Thermal Conductivity of Woven Fabric Composites," Journal of Composite Materials, Vol. 29, No. 29, 1995, pp. 2280-2294.
(International Journal) Bogetti, Travis A., and John W. Gillespie, "Process-induced Stress and Deformation in Thick-section Thermoset Composite Laminates," Journal of Composite Materials, Vol. 26, No. 5, 1992, pp. 626-660.
(Korean Journal) Sung, S.-H., and Kim, W.-D., "Prediction of Deformation of Carbon-fiber Reinforced Polymer Matrix Composite for Tool Materials and Surface Conditions", Journal of the Korean Society for Composite Materials, Vol. 27, No. 6, 2014, pp. 231-235.
(Korean Journal) Oh, J.-M., and Kim, W.-D., "Prediction of Spring-in of Curved Laminated Composite Structure", Journal of the Korean Society for Aeronautical and Space Science, Vol. 43, No. 1, 2015, pp. 1-7.
(Korean Journal) Jung, S.-R., and Kim, W.-D., "Analysis of Thermal Deformation of Carbon-fiber Reinforced Polymer Matrix Composite Considering Viscoelasticity", Journal of the Korean Society for Composite Materials, Vol. 27, No. 4, 2014, pp. 174-181.
(International Journal) White, S.R., and Kim, Y.K., "Processinduced Residual Stress Analysis of AS4/3501-6 Composite Material", Mechanics of Composite Materials and Structures, Vol. 5, No. 2, 1998, pp. 153-186.
(International Journal) Nawab, Yasir, et al., "Chemical shrinkage characterization techniques for thermoset resins and associated composites," Journal of Materials Science, Vol. 48, No.16, 2013, pp. 5387-5409.
(Thesis) Johnston, Andrew A., An Integrated Model of the Development of Process-induced Deformation in Autoclave Processing of Composite Structures. Ph.D Thesis, University of British Columbia, 1997.
(Thesis) Nielsen, Michael Wenani, Prediction of Process Induced Shape Distortions and Residual Stresses in Large Fibre Reinforced Composite Laminates. Ph.D Thesis, Technical University of Denmark, 2013.
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