[논문]적층각도에 따른 CFRP 평판에서의 굽힘으로 발생한 크랙 파손에 관한 해석적 연구

황규완; 조재웅

doi:10.15207/jkcs.2017.8.3.185

적층각도에 따른 CFRP 평판에서의 굽힘으로 발생한 크랙 파손에 관한 해석적 연구
Analysis Study on the Damage of Crack Happening with the Bending at CFRP Plate due to Stacking Angle 원문보기

한국융합학회논문지 = Journal of the Korea Convergence Society, v.8 no.3, 2017년, pp.185 - 190

황규완 (공주대학교 대학원 기계공학과) , 조재웅 (주대학교 기계자동차 공학부)

초록
AI-Helper

본 논문은 탄소섬유로 구성된 평판형태의 시험편에 굽힘 모멘트가 작용할 때 내부의 섬유구조에서 발생되는 굽힘 응력과 전단응력, 변형에너지에 관한 것이다. CFRP는 무수히 많은 섬유가 다축구조를 형성하고 있어 굽힘조건에서 응력을 효과적으로 분산할 수 있다. 이때 적층각도에 따라 다양한 물성을 보이게 되는데, 섬유의 수평방향인 Stacking angle $0^{\circ}$에서부터 수직방향인 $90^{\circ}$에 이르기까지의 결과에 있어, Stacking angle이 증가함에 따라 등가 응력과 전단응력이 점차 줄어들며 $60^{\circ}$를 기점으로 다시 증가함을 보이고 있다. 본 연구결과를 토대로,적층각도에 따른 평판에서의 굽힘으로 인한 파손특성을 해석적 접근을 통해 고찰하였으며, 본연구는 파손방지와 내구성 향상을 위한 안전설계에 기여할 수 있다고 사료된다. 또한 평판 형상으로서의 디자인적 요소를 융합기술에 접목함으로서 그 미적인 감각을 나타낼 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study investigates the bending stress, shear stress and deformation energy happening at the inner fiber structure when the bending moment is applied to he specimen with flat shape composed of carbon fiber. As CFRP is composed of innumerable fibers with multi-axes, the stress under bending condition can be effectively distributed. Theses stresses is shown to increase again at the starting point as this angle of $60^{\circ}$. Therefore, the condition at the stacking angle of $60^{\circ}$ is seen to become most adequate under the state where the bending stress happens. On the basis of this study result, the damage property by the bending at the plate due to stacking angle was examined through the analytic approach. it is thought that this study can be devoted to the safe design for damage prevention and durabilty improvement. Also, the esthetic sense can be shown as the designed factor of shape with flat plate is grafted onto the convergence technique.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

과거에는 레저와 스포츠에서 사용되었지만, 기술이 발전함에 따라 이를 차량과 항공기, 산업기계에 적용하고 있다. 본 논문에서는 이중에서도 탄소섬유를 기지로 한 탄소섬유 강화플라스틱(Carbon Fiber Reinforced Plastic)을 이용한 복합재료 평판에 고정된 모서리와 모멘트를 가하는 부위에서의 굽힘 환경에서 발생되는 크랙파손에 관한 것으로 이때 적층각도에 따라 시험편의 특성을 해석적 연구를 통해 규명한다. 해석적 연구의 수행에 있어 ANSYS를 통해 얇은 시트 한 장, 한 장을 적층하여 구성된 해석모델을 사용하며 이때 가해지는 굽힘 특성에 있어 발생되는 등가응력과 전단응력, 변형에너지의 결과값을 통해 크랙의 전파와 파손의 정도를 파악할 수 있다.
본 논문은 적층각도에 따라 구성된 시험편의 굽힘 모멘트에 따라 발생하는 크랙 파손에 관한연구로, 해석적 연구를 통해 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

가설 설정

8은 이런 전단응력의 발생지점과 전파방향을 나타낸 것으로, 굽힘 모멘트 발생 시, 고정부에서 시작된 전단응력이 점진적으로 시험편 중앙을 향해 전파되면서 연속적인 섬유절손이 발생될 수 있을 알 수 있었다. 실제 시험편에서를 가정한다면 연속적인 섬유 전단이 크랙을 발생시키며 섬유를 고정하고 있는 레진이 응력전달방향으로 갈라질 위험성을 염두에 둘 수 있어 구조물의 붕괴까지도 예상되는 결과이다.

제안 방법

본 논문에서는 이중에서도 탄소섬유를 기지로 한 탄소섬유 강화플라스틱(Carbon Fiber Reinforced Plastic)을 이용한 복합재료 평판에 고정된 모서리와 모멘트를 가하는 부위에서의 굽힘 환경에서 발생되는 크랙파손에 관한 것으로 이때 적층각도에 따라 시험편의 특성을 해석적 연구를 통해 규명한다. 해석적 연구의 수행에 있어 ANSYS를 통해 얇은 시트 한 장, 한 장을 적층하여 구성된 해석모델을 사용하며 이때 가해지는 굽힘 특성에 있어 발생되는 등가응력과 전단응력, 변형에너지의 결과값을 통해 크랙의 전파와 파손의 정도를 파악할 수 있다. 이 같은 연구결과를 통해 평판형태의 탄소섬유 강화플라스틱을 이용한 구조물의 설계를 위한 기반데이터를 제공할 수 있으며 이를 통해 안전설계에 기여할 수 있을 것으로 사료된다[1-5].

대상 데이터

Table. 1은 본 연구에서 사용된 Unidirectional 탄소섬유의 물성치다[6-13].

성능/효과

1. 적층각도에 따른 굽힘 모멘트에 의해 발생하는 등가응력에 있어 적층각도가 증가함에 따라 감소하는 결과를 보여주며 적층각도 60°에서 최소값인 2167MPa이 발생하며 이후 다시 증가하는 결과를 보였다.
2. 적층각도에 따른 굽힘 모멘트에 의해 발생하는 전단응력에 있어 적층각도가 증가함에 따라 감소하는 결과를 보여주며 적층각도 60°에서 최소값인 217.3MPa이 발생하였다.
3. 적층각도에 따른 굽힘 모멘트에 의해 발생하는 변형 에너지에 있어 적층각도가 증가함에 따라 감소하는 결과를 보이며 적층각도 60°에서 247mJ로 나타났다.
6은 적층각도 75°에서의 등가응력 분포를 나타낸 것으로 전반적인 시험편에서 파손이 일어날 수 있는 부위가 다수 보임을 알 수 있다. CFRP는 금속의 파손형상과 달리 적층구조중에서 가장 약한 부위부터 파손이 시작됨으로 결과 값을 토대로 볼 때, 고정된 부위에서 파손이 시작되어 점진적으로 시편전체에 걸쳐 파손이 발생됨을 볼 수 있다. 이때 18층의 적층구조중에서 8번째와 9번째 적층구조에서 파손이 먼저 발생됨을 알 수 있었다.
따라서 구조물의 구조안정성을 위해서는 적층각도 75°를 지양하고, 적층각도 60°를 이용하는 것이 최적화됨을 알 수 있었다.
이때의 결과 값은 275mJ로 앞선 결과 값들과 비교할 때 적층각도 60°에서 기계적물성이 가장 좋은 것으로 판단할 수 있다. 또한 이후의 결과값들에 있어 적층각도가 증가함에 따라 매우 큰폭으로 변형에너지가 증가함을 알 수 있었다. 이같은 변형에너지값이 크면 클수록, 외부에서 가해진 힘에 의해 시편의 변형이 크게 발생됨을 의미하며 이로 인해 구조물의 변형을 야기할 수 있다.
변형에너지에서의 결과 또한 앞서 서술한 등가응력과 전단응력에서의 비슷한 경향을 보이고 있음을 알 수 있는데, 적층각도 0°에서 3605mJ이 발생한 반면 적층각도가 증가함에 따라 점차 감소하여 적층각도 60°에서 최소값을 보이고 있다.
10은 적층각도에 따라 적층된 시험편이 굽힘 모멘트를 받을 때, 내부에서 발생되는 변형에너지에 관한 것이다. 변형에너지의 결과 값을 전단응력과 등가응력에서 최대값이 발생한 시점에서 비교 분석했을 때, 최대 변형에너지의 산출을 통한 안전설계 데이터를 얻을 수 있다.
이 같은 최소값은 적층각도 90°에서도 볼 수 있지만 이는 응력의 전달방향과 섬유의 적층각도가 섬유와 직각을 이룰 때에만 한정되는 결과로 실제 구조물에서 다양한 방향에서 응력이 가해짐을 감안한다면 적층각도 60°를 사용할 때 구조적 안정성을 가질 수 있을 것으로 판단할 수 있다.
이때의 결과 값은 275mJ로 앞선 결과 값들과 비교할 때 적층각도 60°에서 기계적물성이 가장 좋은 것으로 판단할 수 있다.
적층각도에 따른 굽힘 모멘트에 의해 발생하는 변형 에너지에 있어 적층각도가 증가함에 따라 감소하는 결과를 보이며 적층각도 60°에서 247mJ로 나타났다. 이를 통해 취성재료인 CFRP의 특성과 함께 볼 때, 구조적으로 안정함을 알 수 있었다.

후속연구

4. 본 논문의 해석적 결과를 통해 얻어진 사전데이터를 토대로 CFRP의 내구성 향상 및 안전설계와 융합하여 개선설계에 기여할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	탄소섬유 강화플라스틱의 사용은 어떻게 변화하였는가?	여기에 더불어 탄소섬유 또는 유리섬유, 케블라섬유등 각종 경량 섬유를 기지(Matrix)로 한 탄소섬유 강화플라스틱이 가지는 뛰어난 경량성으로 인해 점차 그 사용처가 넓어지고 있다. 과거에는 레저와 스포츠에서 사용되었지만, 기술이 발전함에 따라 이를 차량과 항공기, 산업기계에 적용하고 있다. 본 논문에서는 이중에서도 탄소섬유를 기지로 한 탄소섬유 강화플라스틱(Carbon Fiber Reinforced Plastic)을 이용한 복합재료 평판에 고정된 모서리와 모멘트를 가하는 부위에서의 굽힘 환경에서 발생되는 크랙파손에 관한 것으로 이때 적층각도에 따라 시험편의 특성을 해석적 연구를 통해 규명한다.
	탄소섬유 강화플라스틱은 어떻게 구성되는가?	복합재료는 오늘날에 이르러서 다양한 산업분야에서 금속을 대체하면서도, 이에 버금가는 비강도와 비강성을 지니고 있다. 여기에 더불어 탄소섬유 또는 유리섬유, 케블라섬유등 각종 경량 섬유를 기지(Matrix)로 한 탄소섬유 강화플라스틱이 가지는 뛰어난 경량성으로 인해 점차 그 사용처가 넓어지고 있다. 과거에는 레저와 스포츠에서 사용되었지만, 기술이 발전함에 따라 이를 차량과 항공기, 산업기계에 적용하고 있다.
	ANSYS를 활용한 해석모델을 사용하여 알 수있는 것은?	본 논문에서는 이중에서도 탄소섬유를 기지로 한 탄소섬유 강화플라스틱(Carbon Fiber Reinforced Plastic)을 이용한 복합재료 평판에 고정된 모서리와 모멘트를 가하는 부위에서의 굽힘 환경에서 발생되는 크랙파손에 관한 것으로 이때 적층각도에 따라 시험편의 특성을 해석적 연구를 통해 규명한다. 해석적 연구의 수행에 있어 ANSYS를 통해 얇은 시트 한 장, 한 장을 적층하여 구성된 해석모델을 사용하며 이때 가해지는 굽힘 특성에 있어 발생되는 등가응력과 전단응력, 변형에너지의 결과값을 통해 크랙의 전파와 파손의 정도를 파악할 수 있다. 이 같은 연구결과를 통해 평판형태의 탄소섬유 강화플라스틱을 이용한 구조물의 설계를 위한 기반데이터를 제공할 수 있으며 이를 통해 안전설계에 기여할 수 있을 것으로 사료된다[1-5].

참고문헌 (15)

K. W. Kang, "Vibration Fatigue Analysis of Spot Welded Component considering Change of Stiffness due to Fatigue Damage" Journal of the Korea Convergence Society, Vol. 5, No. 1, pp. 1-8, 2014.
J. U. Cho, "Structure Safety Analysis on Crack Propagation in Compact Tension Specimen", Journal of the Korea Convergence Society, Vol. 5, No. 1, pp. 23-27, 2014.
Y. J. Jang, K. W. Kang, "Simplified Load Caculation and Structure Test for Scale Down Model of Small Wind Turbine Blade according to IEC 61400-2", Journal of the Korea Convergence Society, Vol. 4, No. 3, pp. 1-5, 2013.
Y. H. Cho, "Manufacturing convergence simulation system effect for the degree of perfection improvement of the new product", Journal of Digital Convergence, Vol. 13, No. 6, pp. 91-103, 2015.
H. J. Jung, "The Analysis of Data on the basis of Software Test Data", Journal of Digital Convergence, Vol. 13, No. 10, pp. 1-7, 2015.
G. W. Hwang, "A Property of Crack Propagation at the Specimen of CFRP with Layer Angle", Korean Society of Mechanical Technology, Vol. 40, No. 12, pp. 1013-1019, 2016.
T.A. Sebaey, E. Mahdi, "Behavior of pyramidal lattice core sandwich CFRP composites under biaxial compression loading", Composite Structures, Vol. 116, pp. 67-74, May, 2014.

상세보기
H. K. Choi and J. U. Cho, "Study on the Fatigue Analysis of DCB Model with Aluminum Foam", Journal of Korean Society of Mechanical Technology, Vol. 14, No. 6, pp. 39-43, 2012.
O. T. Thomsen, W. Rits, D. C. G. Eaton, S. Brown, "PLY DROP-OFF EFFECTS IN CFRP/HONEYCOMB SANDWICH PANELS-THEORY", Composites Science and Technology, Vol. 56, pp. 407-422, 1996.

상세보기
T.A. Sebaey, E. Mahdi, "Behavior of pyramidal lattice core sandwich CFRP composites under biaxial compression loading", Composite Structures, Vol. 116, pp. 67-74, May, 2014.

상세보기
M. Mohamed, S. Anandan, Z. Huo, V. Birman, J. Volz, K. Chandrashekhara, "Manufacturing and characterization of polyurethane based sandwich composite structures", Composite Structures, Vol. 123, pp. 169-179, 2015.

상세보기
B. J. Stauder, H. Kerber, P. Schumacher "Foundry sand core property assessment by 3-point bending test evaluation" Journal of Materials Processing Technology, Vol.237, No. 7, pp.188-196, 2016.

상세보기
J. Cao, K. Cai, Q. Wang, J. Shi, "Damage behavior of a bonded sandwithc beam with corrugated core under 3-point bending", Materials and Design, Vol. 95, No. 4, pp. 165-172, 2016.

상세보기
O. Zhao, L. Gardner, B. Young, "Bucling of ferritic stainless steel members under combinded axial compression and bending", Journal of Constructional Steel Research, Vol.117, No. 12, pp35-48, 2016.

상세보기
V. N. Pilipchuk, R. A. Ibrahim, I. Grace, "Low temperature brittle debond damage under normal compression of sandwich plates: Analytical modeling and experimental validation", Composite Structures, Vol. 98, pp. 24-33, 2013.

상세보기

저자의 다른 논문 :

LOADING...

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증