[논문]적층구조를 가진 CFRP의 중앙 노치구멍이 미치는 영향에 관한 해석적 연구

박재웅; 김은도; 조재웅

doi:10.15207/jkcs.2018.9.2.177

적층구조를 가진 CFRP의 중앙 노치구멍이 미치는 영향에 관한 해석적 연구
Analysis Study on Influence that the Center Hole Notch of CFRP with Laminated Structure Affects 원문보기

한국융합학회논문지 = Journal of the Korea Convergence Society, v.9 no.2, 2018년, pp.177 - 182

박재웅 (공주대학교 일반대학원 기계공학과) , 김은도 (더원과학 기술연구소) , 조재웅 (공주대학교 기계자동차학부)

초록
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본 논문에서는 CFRP로 구성된 항공 드론 프레임의 수직 낙하충격으로 인한 CFRP적층구조에서의 파손거동을 해석적 연구를 통해 파악하였다. 기존 플라스틱 재료와 달리 CFRP는 섬유로 구성되어 파손거동이 복잡하다. 따라서 이에 대한 실험에 앞서 해석적 연구를 통해 선행 연구가 중요하다. 본 연구의 결과로서 기존의 연구모델과 비교하여 보면, 같은 조건으로 중앙 노치구멍을 가진 적층된 CFRP 드론 프레임의 해석모델에서 가해진 응력의 값이 크게 줄어듬을 볼 수 있었다. 본 연구 결과를 토대로 드론프레임의 노치구멍에 관한 기반데이터를 융합기술에 접목함으로서 그 미적인 감각을 나타낼 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, the fracture behaviour at CFRP laminated structure due to the vertical falling impact of the fight drone frame composed of CFRP was investigated through the analytical study. As CFRP consists of fiber differently from the existing plastic material, the fracture behaviour becoms complex. So, the preceding study is important through the analytical study before this experiment. By comparing with the existing study model at the same condition as the result of this study, the applied stress value is shown to decrease greatly at the analysis model with the center notch hole of the laminated CFRP drone frame. On the basis of this study result, the esthetic sense can be shown as the foundation data about the notch hole of drone frame are grafted onto the convergence technique.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그 중에서도 가장 독보적인 발전을 이루고 있는 FRP(Fiber reinforced plstic)은 같은 무게의 금속재료와 비교했을 때 높은 비강도를 나타내며 항공산업에 처음 적용된 이래로 수송분야와 레저스포츠 산업군에서 가장 활발히 사용되고 있는 복합재료이다. 본 연구는 이런 레저스포츠 산업군에서 빠른 성장세를 보이고 있는 항공드론산업에서 사용되고 있는 CFRP드론의 낙하충격에 관한 것으로, 일반 등방성 재료로 구성되지 않은 복합재료 드론에서의 파괴거동을 해석적 연구를 통해 규명하며, 이에 더해 응력해소를 위한 중앙 노치구멍을 추가하여 낙하충격시의 응력해소를 위한 설계 기반 데이터를 확보하여 후속설계에 기여할 수 있다고 사료된다[1-7].
본 연구에서는 적층각도가 적용된 CFRP 드론프레임의 중앙 노치구멍의 유무에 따른 파괴거동을 통해 다음과 같은 결론을 도출하였다.

제안 방법

본 연구에서는 적층구조를 가지면서도 적층각도를 적용하기 위한 일방향성 탄소섬유를 해석모델에 적용하였다.

대상 데이터

각 해석모델은 한 장의 두께가 0.36mm인 탄소섬유 1장을 1장의 Shell요소로 총 18장을 적층하여 5.04mm의 두께를 지닌 해석모델로 구성하였으며 각 층에는 적층각도를 각각 30°, 45°, 60°를 적용하였다.
본 연구에서 해석모델들에는 Fig. 2와 같이 평판의 평면을 XY로 가정할 때, 낙하할 때를 가정하여 드론 프레임의 밑면에서 상판을 향해 모터 지지부 4곳을 고정한 상태로 9800N을 가한다. 각 해석모델과 적층각도에 따른 각 해석조건은 동일하게 적용한다.

성능/효과

1. 노치구멍이 적용되지 않은 드론프레임의 각 적층 각도 30°, 45°, 60°에서의 등가응력은 1715.2MPa, 1461.6MPa, 1273.9MPa의 결과값이 나옴을 볼 수 있었다.
2. 노치구멍이 적용되지 않은 드론프레임의 각 적층 각도에서의 변형량은 각각 4.34mm, 3.85mm, 2.25mm임을 알 수 있었다. 낙하 충격이 가해지는 중앙부를 기점으로 변형이 발생함을 볼 수 있는데 적층각도가 증가함에 따라 변형량이 감소하는 이유에 대해 내부 섬유 적층구조가 응력을 분산시킴으로 파악할 수 있다.
3. 노치구멍이 적용되지 않은 드론프레임의 각 적층 각도 30°, 45°, 60°에서의 등가응력은 1670.7MPa, 1008.3MPa, 836.5MPa의 결과값이 나옴을 볼 수 있었다.
4. 노치구멍이 적용된 드론프레임의 각 적층각도에서의 변형량은 각각 5.3mm, 3.61mm, 2.99mm임을 알 수 있었다. 낙하 충격이 가해지는 중앙부를 기점으로 변형이 발생함을 볼 수 있는데 적층각도가 증가함에 따른 변형량이 노치구멍이 없는 모델이 비해 증가함에 대해, 응력값의 감소와 함께 내부 섬유구조의 변형에 따른 결과임을 알 수 있었다.
각 적층각도 30°, 45°, 60°에서의 등가응력은 1670.7MPa, 1008.3MPa, 836.5MPa의 결과값이 나옴을 볼 수 있었다.
99mm임을 알 수 있었다. 낙하 충격이 가해지는 중앙부를 기점으로 변형이 발생함을 볼 수 있는데 적층각도가 증가함에 따른 변형량이 노치구멍이 없는 모델이 비해 증가함에 대해, 응력값의 감소와 함께 내부 섬유구조의 변형에 따른 결과임을 알 수 있었다.
9MPa의 결과값이 나옴을 볼 수 있었다. 이같은 해석결과와 등가응력 분포를 토대로 적층각도가 증가함에 따라 모터지지부와 함께, 중앙의 응력값이 점차 감소함을 볼 수 있었다. 적층각도 60°의 경우, 이전 해석모델들과 다르게 응력 집중이 중앙에서 소폭 감소하고 있음을 볼 수 있어, 해당 적층각도에서 구조적 안전성이 높음을 알 수 있었다.

후속연구

5. 본 논문의 연구결과를 토대로 적층구조를 가지는 CFRP드론의 노치구멍의 유무의 파괴거동에 대한 기반데이터를 토대로 후속설계를 위한 설계인자를 통해 구조안정성 향상에 기여할 수 있을 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	적층각도의 증가에 따라 변형량이 감소하는 이유는?	25mm임을 알 수 있었다. 낙하 충격이 가해지는 중앙부를 기점으로 변형이 발생함을 볼 수 있는데 적층각도가 증가함에 따라 변형량이 감소하는 이유에 대해 내부 섬유 적층구조가 응력을 분산시킴으로 파악할 수 있다.
	실험 결과 어떤 설계가 중앙 노치구멍을 가진 드론프레임 구조에 가장 좋은가?	이 때 적층각도 45°인 모델이 구멍의 유/무에 따른 변형량 차이가 가장 적고 적층각도 30°인 모델이 구멍 유/무에 따른 최대등가응력 차이가 적었다. 즉, 30°에서 45°의 적층 구조 설계가 중앙 구멍을 가진 드론 프레임에 서 유리하다고 사료된다.
	FRP는 무엇인가?	과거 금속 재료를 주로 이용하였으나 두가지 이상의 재료를 함께 사용하여 물성을 증대시키는 복합재료기술의 발전은 산업에서 사용되는 소재의 변화 시켰다. 그 중에서도 가장 독보적인 발전을 이루고 있는 FRP(Fiber reinforced plstic)은 같은 무게의 금속재료와 비교했을 때 높은 비강도를 나타내며 항공산업에 처음 적용된 이래로 수송분야와 레저스포츠 산업군에서 가장 활발히 사용되고 있는 복합재료이다. 본 연구는 이런 레저스포츠 산업군에서 빠른 성장세를 보이고 있는 항공드론산업에서 사용되고 있는 CFRP드론의 낙하충격에 관한 것으로, 일반 등방성 재료로 구성되지 않은 복합재료 드론에서의 파괴거동을 해석적 연구를 통해 규명하며, 이에 더해 응력해소를 위한 중앙 노치구멍을 추가하여 낙하충격시의 응력해소를 위한 설계 기반 데이터를 확보하여 후속설계에 기여할 수 있다고 사료된다[1-7].

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