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요철핀으로 보강된 복합재 모자형 체결부 구조의 강도 연구
Pull-off Strength of Jagged Pin-reinforced Composite Hat Joints 원문보기

Composites research = 복합재료, v.31 no.6, 2018년, pp.323 - 331  

곽병수 (School of Mechanical and Aerospace Engineering, Graduate School, Gyeongsang National University) ,  김동관 (Lightweight Automotive Components Development Team, LG Hausys) ,  권진회 (School of Mechanical and Aerospace Engineering, Graduate School, Gyeongsang National University)

초록
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스테인리스 강으로 제작된 요철핀의 보강이 복합재 모자형 체결부의 풀오프 강도에 미치는 영향을 시험으로 연구하였다. 요철핀에는 물리적, 화학적 표면처리를 수행하였고, 체결부의 외피와 보강재가 만나는 영역에 두께방향으로 핀을 삽입하였다. 모자형 체결부 시편은 요철핀을 포함하여 일체성형으로 제작하였다. 사용된 요철핀의 지름은 0.3, 0.5, 0.7 mm로 세 가지이다. 핀의 삽입밀도는 외피와 보강재가 만나는 면적 기준으로 0.5, 2.0% 두 가지이다. 요철핀과 일반핀의 효과를 비교하기 위하여 0.3 mm 일반핀을 2.0% 밀도로 삽입한 시편을 추가로 제작하여 시험을 수행하였다. 0.3, 0.5, 0.7 mm의 요철핀을 0.5%의 밀도로 삽입한 시편의 강도는 보강되지 않은 시편 대비 각각 45, 19, 9% 높게 나타났고, 2.0% 밀도의 경우 강도는 각각 127, 45, 11% 높게 나타났다. 시험 결과 지름이 동일할 경우 밀도가 높을수록, 밀도가 동일할 경우 지름이 작을수록 보강효과가 더 높게 나타나는 것을 알 수 있었다. 요철핀과 일반핀의 효과를 비교한 결과 2.0% 밀도로 0.3 mm 직경의 핀을 이용하여 보강할 경우, 요철핀 보강시편이 일반핀 보강 시편보다 64% 높은 강도를 보였다. 본 연구의 결과로부터 요철핀 보강이 복합재 모자형 체결부의 풀오프 강도 향상을 위한 효과적인 방법이 될 수 있음을 확인하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The effect of stainless steel jagged-pin reinforcement on the pull-off strength of the composite hat-joint was studied by the test. The pins were physically and chemically surface-treated and inserted in the thickness direction over the interface where the skin and stiffener meet. The specimens incl...

주제어

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AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 단조공법으로 핀의 표면에 Mark를 생성 하는 물리적 표면처리 후 왕수를 이용한 화학적 표면처리를 한 요철핀을 사용하였다. 그러나 만약 요철이 없이 화학적 표면처리만 수행한 일반핀으로 보강한 경우 보강효과가 어느 정도인지를 파악하기 위한 추가 시험을 수행하였다.
  • 5 mm 로 고정하였고, 화학적 표면처리만 수행된 일반핀을 채택 하였다. 따라서, 핀의 지름 및 삽입밀도가 모자형 체결부 구조의 강도에 끼치는 영향을 확인하기 위한 연구를 수행할 필요를 확인하였다. 본 연구는 선행연구의 연장선으로 일체성형 공법으로 제작된 모자형 체결부 구조에 Z-핀을 삽입하고, 핀의 지름 세 가지(0.
  • 따라서 더 높은 마찰력과 접착력을 확보하기 위해서는 적층판과 핀 사이의 접착 면적을 증가시켜야 한다. 본 연구의 목적은 접착면적을 높이기 위해 핀의 표면을 기계적으로 변형시킨 요철핀이 풀오프(Pull-off) 하중을 받고 있는 모자형 체결부 구조의 파손강도에 미치는 영향을 확인하는 것이다. 물리적 표면처리로는 단조공법을 사용하여 금속핀의 표면에 일정한 간격으로 원형의 마크(Mark)를 생성하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
3차원 보강 공정의 장점과 단점은 무엇인가? 이러한 태생적 난제를 해결하기 위해 두께방향으로 섬유를 배치하는 니팅(Knitting), 위빙(Weaving), 브레이딩 (Braiding)과 같은 복합재 구조 제작기술들과 관련한 연구가 진행되고 있다[1-4]. 그러나 이러한 3차원 보강 공정은 두께방향으로 섬유를 배치하여 두께방향강도를 증가시킨 다는 장점이 있으나, 면내 방향에 배치되는 섬유를 휘게 함으로써 면내방향의 물성을 저하시킨다는 단점이 있다. 또한, 이러한 방법을 이용하기 위해서는 프리폼(Preform) 형태로 직조 후 별도로 수지를 주입해야 하므로 이미 수지를 포함하고 있는 프리프레그에는 적용하기 어렵다[5].
일반적인 복합재 구조는 어떤 공정으로 제작되는가? 높은 비강도 및 비강성 뿐만 아니라 고인성, 고내구성, 내부식성 등의 다양한 특성을 가지는 복합재료는 항공산업 뿐만 아니라 자동차, 선박, 레저 산업 등에서도 활발하게 적용되고 있다. 일반적인 복합재 구조는 얇은 프리프레그를 적층하여 오토클레이브에서 제작하며, 이 공정으로 제작된 복합재 구조가 상대적으로 우수한 강도 및 강성을 지닌다. 하지만, 적층공정의 특성상 면내 방향으로는 하중을 지지하는 보강재인 섬유가 배치되지만 두께방향으로는 그렇지 않다.
얇은 프리프레그를 적층하여 오토클레이브에서 제작된 복합재의 치명적인 단점은 무엇인가? 하지만, 적층공정의 특성상 면내 방향으로는 하중을 지지하는 보강재인 섬유가 배치되지만 두께방향으로는 그렇지 않다. 따라서, 복합재료의 가장 치명적인 단점 중 하나는 상대적으로 두께방향강도가 면내방향에 비해 낮다는 것이다.
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참고문헌 (22)

  1. Vuure, A.W.V., Ko, F.K., and Beevers, C., "Net-shape knitting for complex composite preforms," Textile Research Journal, Vol. 73, No. 1, 2003, pp. 1-10. 

  2. Wang, Z., Bai, J., Sobey, A., Xiong, J., and Shenoi, A., "Optimal design of triaxial weave fabric composites under tension," Composite Structures, Vol. 201, 2018, pp. 616-624. 

  3. Zheng, Y., and Sun, Y., "Tensile response of carbon-aramid hybrid 3D braided composites," Materials & Design, Vol. 116, 2017, pp. 246-252. 

  4. Zhou, H., Hu, D., Gu, B., and Sun, B., "Transverse impact performance and finite element analysis of three dimensional braided composite tubes with different braiding layers," Composite Structures, Vol. 168, 2017, pp. 246-259. 

  5. Mourits, A.P., "Review of z-pinned composite laminates," Composites: Part A, Vol. 38, No. 12, 2007, pp. 2383-2397. 

  6. Francesconi, L., and Aymerich, F., "Effect of z-pinning on the impact resistance of composite laminate with different layups," Composites: Part A, Vol. 114, 2018, pp. 136-148. 

  7. Pingkarawat, K., and Mouritz, A.P., "Improving the mode-I delamination fatigue resistance of composites using z-pins," Composites Science and Technology, Vol. 92, 2014, pp. 70-76. 

  8. Hoffmann, J., and Scharr, G., "Compression properties of composite laminates reinforced with rectangular z-pins," Composites Science and Technology, Vol. 167, 2018, pp. 463-469. 

  9. M'membe, B., Gannon, S., Yasaee, M., and Hallett, S.R., and Partridge, I.K., "Mode II delamination resistance of composites reinforced with inclined Z-pins," Materials & Design, Vol. 94, 2016, pp. 565-572. 

  10. Zhang, B., Allegri, G., Yasaee, M., Hallett, S.R., and Partridge, I.K., "On the delamination self-sensing function of Z-pinned composite laminates," Composites Science and Technology, Vol. 128, 2016, pp. 138-146. 

  11. Pegorin, F., Pingkarawat, K., and Mouritz, A.P., "Electrical-based delamination crack monitoring in composites using zpins," Composites: Part A, Vol. 104, 2018, pp. 120-128. 

  12. Koh, T.M., Feih, S., and Mouritz, A.P., "Experimental determination of the structural properties and strengthening mechanics of z-pinned composite T-joints," Composite Structures, Vol. 93, No. 9, 2011, pp. 2222-2230. 

  13. Koh, T.M., Isa, M.D., Feih, S., and Mouritz, A.P., "Experimental assessment of the damage tolerance of z-pinned T-stiffened composite panels," Composites: Part B, Vol. 44, No. 1, 2013, pp. 620-627. 

  14. Koh, T.M., Isa, M.D., Chang, P., and Mouritz, A.P., "Improving the structural properties and damage tolerance of bonded composite joints using z-pins," Journal of Composite Materials, Vol. 46, No. 26, 2012, pp. 3255-3265. 

  15. Koh, T.M., Feih, S., and Mouritz, A.P., "Strengthening mechanics of thin and thick composite T-joints reinforced with z-pins," Composites: Part A, Vol. 43, No. 8, 2012, pp. 1308-1317. 

  16. Park, Y.B., Lee, B.H., Kweon, J.H., Choi, J.H., and Choi, I.H., "The strength of composite bonded T-joints transversely reinforced by carbon pins," Composite Structures, Vol. 94, No. 2, 2012, pp. 625-634. 

  17. Li, M., Chen, P., Kong, B., Peng, T., Yao, Z., and Qiu, X., "Influences of thickness ratios of flange and skin of composite Tjoints on the reinforcement effect of Z-pin," Composites: Part B, Vol. 97, 2016, pp. 216-225. 

  18. Ko, M.G., Kweon, J.H., and Choi, J.H., "Fatigue characteristics of jagged pin-reinforced composite single-lap joints in hygrothermal environments," Composite Structures, Vol. 119, 2015, pp. 59-66. 

  19. Son, H.G., Park, Y.B., Kweon, J.H., and Choi, J.H., "Fatigue behaviour of metal pin-reinforced composite single-lap joints in a hygrothermal environment," Composite Structures, Vol. 108, 2014, pp. 151-160. 

  20. Lee, B.H., Park, Y.B., Kweon, J.H., Choi, J.H., Choi, I.H., and Chang, S.T., "Strength of stainless steel pin-reinforced composite single-lap joints," Composite Research, Vol. 25, No. 3, 2012, pp. 65-69. 

  21. Ji, H., Kweon, J.H., and Choi, J.H., "Fatigue characteristics of stainless steel pin-reinforced composite hat joints," Composite Structures, Vol. 108, 2014, pp. 49-56. 

  22. Reynolds, A.P., Tang, W., Gnaupel-Herold, T., and Prask, H., "Structure, properties, and residual stress of 304L stainless steel friction stir welds," Scripta Materialia, Vol. 48, No. 9, 2003, pp. 1289-1294. 

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