본 연구에서는 카본/BMI 면재와 노멕스 허니콤 코어를 가지는 샌드위치 포팅 체결부의 다양한 설계변수에 대한 파손특성 연구를 수행하였다. 샌드위치 시편은 코어 높이, 면재 두께 및 밀도에 따라 총 6종류가 제작되었고, 이중 1종류의 시편에 대해 온/습도 효과를 보기 위해 환경 조건이 가해졌다. 시험 결과 밀도가 $64kg/m^3$ 코어를 제외한 모든 시편에서 코어의 전단좌굴이 초기 파손모드로 나타났으며, 이후 하중을 지지하다 윗면재 파손과 동시에 아랫면재에 볼트가 파고드는 파손형상이 나타났다. 하지만 밀도에 의해 높은 강성을 가지는 시편의 경우 초기 전단좌굴 발생 없이 윗면재와 코어의 계면파손에 의해 낮은 최대파손하중을 나타냈다. 샌드위치 시편의 환경적 영향 평가를 위해 수행된 ETW1($82^{\circ}C$, Wet)과 ETW2($177^{\circ}C$, Wet)의 경우 RTD($24^{\circ}C$, Dry) 조건과 확연히 다른 초기 파손모드를 보였으며, 동일한 습도조건 하에 온도가 상승된 ETW2는 ETW1보다 전단좌굴 하중이 약 18% 감소되는 경향을 보였다.
본 연구에서는 카본/BMI 면재와 노멕스 허니콤 코어를 가지는 샌드위치 포팅 체결부의 다양한 설계변수에 대한 파손특성 연구를 수행하였다. 샌드위치 시편은 코어 높이, 면재 두께 및 밀도에 따라 총 6종류가 제작되었고, 이중 1종류의 시편에 대해 온/습도 효과를 보기 위해 환경 조건이 가해졌다. 시험 결과 밀도가 $64kg/m^3$ 코어를 제외한 모든 시편에서 코어의 전단좌굴이 초기 파손모드로 나타났으며, 이후 하중을 지지하다 윗면재 파손과 동시에 아랫면재에 볼트가 파고드는 파손형상이 나타났다. 하지만 밀도에 의해 높은 강성을 가지는 시편의 경우 초기 전단좌굴 발생 없이 윗면재와 코어의 계면파손에 의해 낮은 최대파손하중을 나타냈다. 샌드위치 시편의 환경적 영향 평가를 위해 수행된 ETW1($82^{\circ}C$, Wet)과 ETW2($177^{\circ}C$, Wet)의 경우 RTD($24^{\circ}C$, Dry) 조건과 확연히 다른 초기 파손모드를 보였으며, 동일한 습도조건 하에 온도가 상승된 ETW2는 ETW1보다 전단좌굴 하중이 약 18% 감소되는 경향을 보였다.
The purpose of this paper is to investigate failure characteristics of Carbon/BMI-Nomex honeycomb sandwich on design parameters. A total of 6 types sandwich specimens were manufactured according to core height, face thickness and density, and environmental condition were applied to evaluate temperat...
The purpose of this paper is to investigate failure characteristics of Carbon/BMI-Nomex honeycomb sandwich on design parameters. A total of 6 types sandwich specimens were manufactured according to core height, face thickness and density, and environmental condition were applied to evaluate temperature and humidity effects of one of these specimens. The test results show that the core shear buckling loads was commonly observed in all specimens except for the joint with density of $64kg/m^3$. After core shear buckling, however, the joint carried additional loads over the buckling loads and then finally failed in the upper face and lower face at the same time. In the case of specimen having high stiffness, the maximum failure load was low due to interfacial failure of the upper face and core without initial core shear buckling. The ETW1 and ETW2 conditions, which were carried out to evaluate the environmental condition of the sandwich specimen, show an initial failure mode which was significantly different from RTD condition. Also, the ETW2 condition with increased temperature under the same humidity shows that the core shear buckling load was 18% less than ETW1 condition.
The purpose of this paper is to investigate failure characteristics of Carbon/BMI-Nomex honeycomb sandwich on design parameters. A total of 6 types sandwich specimens were manufactured according to core height, face thickness and density, and environmental condition were applied to evaluate temperature and humidity effects of one of these specimens. The test results show that the core shear buckling loads was commonly observed in all specimens except for the joint with density of $64kg/m^3$. After core shear buckling, however, the joint carried additional loads over the buckling loads and then finally failed in the upper face and lower face at the same time. In the case of specimen having high stiffness, the maximum failure load was low due to interfacial failure of the upper face and core without initial core shear buckling. The ETW1 and ETW2 conditions, which were carried out to evaluate the environmental condition of the sandwich specimen, show an initial failure mode which was significantly different from RTD condition. Also, the ETW2 condition with increased temperature under the same humidity shows that the core shear buckling load was 18% less than ETW1 condition.
본 연구에서는 샌드위치 복합재 구조물의 함정분야적용을 위해 샌드위치 중심에 포팅재(potting material)를 채운 후 홀(hole)을 가공하여 기계적 체결이 가능하도록 체결부형상을 설계하였으며, 코어 높이, 밀도, 면재 두께 및 환경 조건에 따라 풀아웃 하중 시험을 수행하였다. 이를 통해 체결부의 파손 메커니즘을 분석하고, 파손하중의 설계 허용치에 대한 데이터베이스를 구축하고자 한다.
제안 방법
본 연구에서는 샌드위치 복합재 구조물의 함정분야적용을 위해 샌드위치 중심에 포팅재(potting material)를 채운 후 홀(hole)을 가공하여 기계적 체결이 가능하도록 체결부형상을 설계하였으며, 코어 높이, 밀도, 면재 두께 및 환경 조건에 따라 풀아웃 하중 시험을 수행하였다. 이를 통해 체결부의 파손 메커니즘을 분석하고, 파손하중의 설계 허용치에 대한 데이터베이스를 구축하고자 한다.
샌드위치 시편 SPOP1~SPOP6은 기본적으로 상온 조건(RTD, Room Temp. Dry : 24℃)에서 풀아웃 시험이 수행 되었으며, 선별된 SPOP5에 대해서는 환경적 영향을 평가하기 위해 일정기간 환경챔버에서 흡습 과정을 거친 후, 2가지 온도조건(ETW, Elevated Temp. Wet : 82℃/177℃)에서추가 시험을 수행하였다.
대상 데이터
샌드위치 시편에 사용된 면재는 Cycom사의 carbon/bismaleimide(BMI) 프리프레그(prepreg)인 5250-4/T650-353K70PW이고, 코어는 M.C. Gill사의 노멕스 허니콤 코어인 Gillcore HD322이다. 면재와 코어의 접착에는 Cytec Engineered Materials사의 Metbond 2550 G를 사용하였으며, 샌드위치 시편 중심에는 다른 구조물과의 체결을 위한 코어 보강용포팅재로 Magnolia Plastics사의 Magnobond 6398을 사용하였다.
면재와 코어의 접착에는 Cytec Engineered Materials사의 Metbond 2550 G를 사용하였으며, 샌드위치 시편 중심에는 다른 구조물과의 체결을 위한 코어 보강용포팅재로 Magnolia Plastics사의 Magnobond 6398을 사용하였다. 시편은 코어 높이, 코어 밀도, 면재 두께에 대해 형상인자를 달리하여 총 6종류의 시편을 제작하였으며, 환경조건용 시편 SPOP5를 제외한 각각 종류별로 5개씩, 총 40개의 샌드위치 포팅 타입 시편이 제작되었다. 시편의 크기는 120 × 120(가로 × 세로, 단위: mm)이며, 상세한 시편 정보 및 형상은 Table 1과 Fig.
성능/효과
ETW1과 ETW2의 경우 더 높은 온도인 ETW2가 약 33% 높은 하중을 지지했으며, 이는 높은 온도에 의한 열화 효과로 코어의 전단 좌굴이 발생하여 잠시나마 효과적으로 풀아웃 하중을 지지했지만 이후 ETW1의 경우 코어와 윗면재의 계면파손으로 풀 아웃 하중이 아랫면재에 집중되어 더 낮은 하중에서 파손이 발생하였기 때문이다. 전단좌굴의 경우 RTD 조건에서는 계면파손 현상으로 인해 전단좌굴에 의한 파손은 미비하게 발생하였으며, ETW2보다 ETW1이 전단좌굴하중은 약 18% 낮아지는 결과를 보였다. 이는 전단 좌굴하중이 코어의 강성에 지배적으로 영향을 받으며, 온도 증가에 따라 코어의 열화 효과에 의해 강성이 저하되어 지지하중이 더 감소된 것으로 판단된다.
본 연구에서는 풀아웃 하중을 받는 카본/BMI 샌드위치포팅 체결부의 다양한 설계변수에 대한 파손특성을 연구하였다. 초기 샌드위치 파손에 영향을 미친 전형적인 파손모드는 코어의 전단좌굴이며, 이후 하중을 지지하며 좌굴이 진전되다 최종적으로 윗면재 파손과 동시에 아랫면재에 볼트헤드가 파고드는 파손형상을 보였다. 예외적으로 코어 밀도가 64 kg/cm3인 샌드위치는 코어의 전단강도에 비해 코어와 면재 사이의 계면강도가 낮아 초기에 윗면재와 코어 사이의 계면파손이 발생되었고 이로 인해 하중이 아랫면재에 집중되어 낮은 최대파손하중을 보였다.
하지만 이러한 밀도를 가지는 샌드위치에 대해 ETW1(82℃, wet)과 ETW2(177℃, wet)의 환경적 조건에서 시험을 수행한 결과 온 초기에 코어의 전단좌굴 파손이 발생되었으며, 이로 인해 RTD 조건 보다 오히려 더 높은 최대파손하중을 나타냈다. 하지만 온도 조건만 서로 다른 ETW1과 ETW2의 전단좌굴 하중 결과를 통해 온도 증가에 따라 전단좌굴 하중이 감소하는 것을 알 수 있으며, 이는 온도가 코어의 강성에 주요한 영향을 미친다는 것으로 판단할 수 있다.
예외적으로 코어 밀도가 64 kg/cm3인 샌드위치는 코어의 전단강도에 비해 코어와 면재 사이의 계면강도가 낮아 초기에 윗면재와 코어 사이의 계면파손이 발생되었고 이로 인해 하중이 아랫면재에 집중되어 낮은 최대파손하중을 보였다. 하지만 이러한 밀도를 가지는 샌드위치에 대해 ETW1(82℃, wet)과 ETW2(177℃, wet)의 환경적 조건에서 시험을 수행한 결과 온 초기에 코어의 전단좌굴 파손이 발생되었으며, 이로 인해 RTD 조건 보다 오히려 더 높은 최대파손하중을 나타냈다. 하지만 온도 조건만 서로 다른 ETW1과 ETW2의 전단좌굴 하중 결과를 통해 온도 증가에 따라 전단좌굴 하중이 감소하는 것을 알 수 있으며, 이는 온도가 코어의 강성에 주요한 영향을 미친다는 것으로 판단할 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
샌드위치 복합재 구조물의 특징은 무엇인가?
샌드위치 복합재(sandwich composite) 구조물은 높은 비강도, 비강성 특성을 가진 면재(face)와 경량의 심재(core)로 구성된 복합 구조물로써, 각각 면내하중(in-plane load)과 횡전단하중(transverse shear load)을 지지하도록 설계된다. 샌드위치 복합재는 최소한의 무게 증가로 굽힘 강성을 획기적으로 증가시킬 수 있는 재료로써, 굽힘 및 압축하중을 받는 구조물에 적용될 경우 금속 구조물에 비해 50% 이상의 중량 절감을 이룰 수 있으며, 다양한 하중환경에 따라 면재와 심재를 적절히 조합하여 파괴인성 및 피로특성을 상당히 향상시킬 수 있다.
샌드위치 복합재 구조물이 여러 장점에도 불구하고 함정분야에서 2차 구조물에만 제한적으로 적용되고 있는 이유는 무엇인가?
그러나 샌드위치 복합재 구조물의 여러 가지 장점에도 불구하고 실제 국방무기체계 함정분야에서는 수중함 소나돔 및 탑재장비 베이스 등의 2차 구조물에 제한적으로 적용되고 있다. 이는 샌드위치 구조 특성상 집중하중에 취약하여 별도의 보강된 체결부 없이 다른 구조물과 기계적 체결이 어렵기 때문이다. 또한, 체결부 강도에 영향을 미치는 요소들은 체결부 형상, 타입, 충진재 종류 및 접착 방식에 따라 달라지며, 더욱이 온도 및 습도와 같이 환경적 요인에도 민감하게 반응한다. 따라서 설계단계부터 보수적이며 다양한 설계강도 값들을 요구하는 함정분야에서 샌드위치 복합재 구조물의 적용을 위해서는 다양한 하중조건 및 변수에 의한 파손 메커니즘 분석과 재료강도 평가를 통해 신뢰성 있는 데이터 획득이 필수적이다.
샌드위치 복합재의 장점은 무엇인가?
샌드위치 복합재(sandwich composite) 구조물은 높은 비강도, 비강성 특성을 가진 면재(face)와 경량의 심재(core)로 구성된 복합 구조물로써, 각각 면내하중(in-plane load)과 횡전단하중(transverse shear load)을 지지하도록 설계된다. 샌드위치 복합재는 최소한의 무게 증가로 굽힘 강성을 획기적으로 증가시킬 수 있는 재료로써, 굽힘 및 압축하중을 받는 구조물에 적용될 경우 금속 구조물에 비해 50% 이상의 중량 절감을 이룰 수 있으며, 다양한 하중환경에 따라 면재와 심재를 적절히 조합하여 파괴인성 및 피로특성을 상당히 향상시킬 수 있다. 또한 우수한 피탐성능 및 구조전달 소음 저감 효과 등에 따라오래 전부터 국방무기체계 분야에서 우수한 구조물로 주목 받아왔다.
참고문헌 (9)
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