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문제 정의
- 본 연구에서는 2차 본딩 공정 및 격자 방향에 대해 섬유의 손상 없이 직교 격자(Orthogonal grid) 패널을 제작하는 방법을 제안한다. 그리고 시험을 통해 제작된 격자 패널 구조의 기계적 특성을 평가하였다.
- 본 연구에서는 복합재료 평판의 강성 증가를 위해 적층형 격자 패널 구조를 제안한다. 우선, 원하는 격자 패턴에 맞게 몰드(Mold)를 구성한 뒤 격자에 사용될 프리프레그를 크기에 맞게 재단한다.
- 본 연구에서는 새로운 복합재료 격자 패널 제작 방법을 제안하였으며, 기계적 특성을 시험을 통해 확인하였다. 제안된 방법은 기존의 복합재 laminate 제작공정을 그대로 적용할 수 있고, 격자 구조에 의한 추가적인 2차 본딩 공정이 필요치 않다는 장점이 있다.
제안 방법
- 격자 부분의 경우, 제안된 격자 형상에서 45° 방향으로 적층 및 재단하게 되면 섬유의 손실이 많아 구조적 역할을 기대하기 어려울 것으로 판단하여 0°/90° 방향으로만 적층을 수행하였다.
- 우선, 원하는 격자 패턴에 맞게 몰드(Mold)를 구성한 뒤 격자에 사용될 프리프레그를 크기에 맞게 재단한다. 그 뒤, 형상에 맞추어 격자 파트를 적층하며, 이 때, 재료의 층간 분리 현상을 방지하기 위해서 매 4장 적층 시마다 진공 bagging 및 압착(Compaction)하는 작업을 수행한다. 이후, 패널 적층 판을 설계된 적층방법에 따라 적층 한 뒤 진공 후 오토클레이브 공정으로 일체 성형한다.
- 본 연구에서는 2차 본딩 공정 및 격자 방향에 대해 섬유의 손상 없이 직교 격자(Orthogonal grid) 패널을 제작하는 방법을 제안한다. 그리고 시험을 통해 제작된 격자 패널 구조의 기계적 특성을 평가하였다. 인장, 압축, 전단, 굽힘 시험을 수행하여 격자 유무 및 각 하중 조건에 따른 구조 거동을 확인하였고, 유한요소모델을 구성하여 시험결과를 해석적으로 입증하였다.
- 새로운 방식의 제작 방법을 통해 제작된 CFRP 복합재 격자 패널의 기계적 특성을 확인하고자, MTS 재료 시험기를 이용하여 축 방향에 대한 인장 및 압축, 전단, 굽힘 하중 시험을 수행하였다. 본 시험에서 사용된 시편은 격자 패널과 격자가 없는 패널을 구분하여 각 3개씩 수행하였으며, 변위 및 하중은 MTS 재료 시험기에서 측정하였다.
- 13과 같이 설치하여 변위를 제어하는 방법으로 시험을 수행하였다. 시편의 양 모서리 끝 단은 시험 치구에 걸쳐 있으며, 가운데 위치에서 하중을 부가하여 각 시편의 구조적 거동을 살펴보았다. 시험조건을 반영하여 유한요소 모델에서도 단순지지 조건으로 해석을 수행하여 결과를 산출하였다.
- 시편의 양 모서리 끝 단은 시험 치구에 걸쳐 있으며, 가운데 위치에서 하중을 부가하여 각 시편의 구조적 거동을 살펴보았다. 시험조건을 반영하여 유한요소 모델에서도 단순지지 조건으로 해석을 수행하여 결과를 산출하였다.
- 본 연구에 사용된 격자 패널 시편은 앞서 언급한 바와 같이 한쪽 방향으로 곡률을 가지고 있으므로 하중 방향에 따른 특성이 상이할 것으로 판단하였다. 이에 각 축 방향 하중에 대한 시험을 수행하여 구조 거동에서 격자의 기여도를 살펴보았다. 인장하중은 30 kN을 부가하였으며, 압축하중은 시험 안전상의 이유로 인하여 X방향으로 10 kN, Y방향으로 15 kN을 부가하여 구조 거동을 살펴보았다.
- 그리고 시험을 통해 제작된 격자 패널 구조의 기계적 특성을 평가하였다. 인장, 압축, 전단, 굽힘 시험을 수행하여 격자 유무 및 각 하중 조건에 따른 구조 거동을 확인하였고, 유한요소모델을 구성하여 시험결과를 해석적으로 입증하였다.
- 이에 각 축 방향 하중에 대한 시험을 수행하여 구조 거동에서 격자의 기여도를 살펴보았다. 인장하중은 30 kN을 부가하였으며, 압축하중은 시험 안전상의 이유로 인하여 X방향으로 10 kN, Y방향으로 15 kN을 부가하여 구조 거동을 살펴보았다. 축 방향 인장, 압축 시험의 셋업은 Fig.
- 전단 시험은 Fig. 11와 같이 치구를 제작하고 시험을 구성하였으며[12], 각 코너에는 볼 베어링을 두어 전단 변형이 가능하도록 하였다. 전단 시험에서는 10 kN의 하중을 부가하여 구조의 거동을 확인하였다
- 7배로 굽힘 강성이 증가하였다. 제안된 격자모델은 유한요소해석을 수행하여 시험과의 유사성을 입증하였으며, 이를 통해 해석 방법의 타당성을 검토하였다.
- 제작된 격자 패널의 기계적 특성을 확인하기 위하여 축방향에 대한 인장 및 압축, 전단, 굽힘 하중 시험을 수행하였다. 제안된 격자 패널 구조는 축방향 인장, 압축 및 전단시험에서, 선형구간 내에서 동일 하중에 대한 변형이 격자가 없는 구조에 비하여 적게 나타났지만 그 차이는 크지 않았다.
- 본 연구에서 제안된 격자구조 패널은 크게 평판과 격자부분으로 나뉜다. 평판 부분은 2D 평면 요소를 이용하여 모델링 하였으며, 격자 부분은 적층방향이 판에 수직한 방향이기 때문에 3D 육면체 요소를 사용하여 모델링 하였다. 총 50,148개의 요소가 사용되었고, 해석은 MSC.
대상 데이터
- 새로운 방식의 제작 방법을 통해 제작된 CFRP 복합재 격자 패널의 기계적 특성을 확인하고자, MTS 재료 시험기를 이용하여 축 방향에 대한 인장 및 압축, 전단, 굽힘 하중 시험을 수행하였다. 본 시험에서 사용된 시편은 격자 패널과 격자가 없는 패널을 구분하여 각 3개씩 수행하였으며, 변위 및 하중은 MTS 재료 시험기에서 측정하였다.
- 연구에서 사용된 복합재료는 평직물(Plain weave fabric) 탄소섬유강화복합재료(CFRP, Carbon Fiber ReinforcedPlastics)이다. 섬유는 Style 3k~70-pw이며, 기지 재료(Resin)는 열경화성 에폭시이다. 기지의 경화 온도는 350°F(177°C)이며, 운용온도 범위는 -75~250°F(-59~121°C)이다.
- 시편의 크기는 360 × 360 mm2이며, 격자 사이의셀 사이즈는 93 × 93 mm2의 정사각형 형태이다.
- 연구에서 사용된 복합재료는 평직물(Plain weave fabric) 탄소섬유강화복합재료(CFRP, Carbon Fiber ReinforcedPlastics)이다. 섬유는 Style 3k~70-pw이며, 기지 재료(Resin)는 열경화성 에폭시이다.
- 평판 부분은 2D 평면 요소를 이용하여 모델링 하였으며, 격자 부분은 적층방향이 판에 수직한 방향이기 때문에 3D 육면체 요소를 사용하여 모델링 하였다. 총 50,148개의 요소가 사용되었고, 해석은 MSC. NASTRAN 소프트웨어를 사용하였다.
이론/모형
- 총 50,148개의 요소가 사용되었고, 해석은 MSC. NASTRAN 소프트웨어를 사용하였다.
- 본 연구에서 사용된 평직물 CFRP의 기계적 물성은 Table 1과 같다. 인장의 경우, ASTM D 3039[9], 압축의 경우, ASTM D 6641[10], 전단의 경우, ASTM D 5379[11] 규격에 따라 시편을 제작하 시험을 통해 기본 물성을 획득하였다.
- 이 때, 각 파트별 적층 정보는 Table 2와 같다. 평판의 경우, 일반적으로 널리 사용되는 적층법인 준등방성(QuasiIsotropic)으로 적층하였다. 본 준등방성 적층법은 0°/90°로 이루어진 Cross ply에 비해 전단 방향에 대한 하중을 많이 견디며 층간분리 현상도 비교적 덜 발생한다.
성능/효과
- X축 시험과 마찬가지로 격자 패널 시편의 변형이 보다 작게 나타나지만 격자에 의한 면내 강성 증가 효과는 크지 않은 것으로 판단된다. Y방향 압축의 경우 언급한 바와 같이 일 방향 곡률에 의해 좌굴에 취약할 것으로 예상되었으며, 시험 결과 격자가 없는 모델의 경우 약 -7 kN 수준에서 큰 변형이 발생하기 시작하였다. 한편, 격자 시편의 경우 -15 kN까지 선형성이 유지됨을 확인할 수 있다.
- 즉, 격자 구조로 인한 면내 강성의 증가효과는 미미하였다. 그러나 압축하중이 증가하는 좌굴 조건 및 굽힘하중 조건에서는 격자가 없는 시편보다 더 우수한 특성을 보임이 시험적으로 확인되었다. 본 시험을 통해 제안된 격자패널은 그 무게가 평판에 비해 21% 증가하지만 압축 하중시험에서는 70%의 좌굴 하중 증대 효과가 나타났고, 굽힘하중 시험에서는 약 2.
- 제작된 격자 패널의 무게는 780 g이고, 이와 대조적으로 격자가 없는 시편의 무게는 645 g으로 측정되었다. 무게를 비교하면, 제작된 시편은 격자에 의한 무게 증가율이 21% 수준으로 측정되었다. 또한, 제작된 패널은 y-z 평면에서 볼 때, 하부 판 아랫면을 기준으로 3,500 mm의 일 방향 곡률을 가지고 있다.
- 그러나 압축하중이 증가하는 좌굴 조건 및 굽힘하중 조건에서는 격자가 없는 시편보다 더 우수한 특성을 보임이 시험적으로 확인되었다. 본 시험을 통해 제안된 격자패널은 그 무게가 평판에 비해 21% 증가하지만 압축 하중시험에서는 70%의 좌굴 하중 증대 효과가 나타났고, 굽힘하중 시험에서는 약 2.7배로 굽힘 강성이 증가하였다. 제안된 격자모델은 유한요소해석을 수행하여 시험과의 유사성을 입증하였으며, 이를 통해 해석 방법의 타당성을 검토하였다.
- 6에 나타내었다. 시험 결과 X방향의 시험조건에서는 제안된 시편이 선형변형구간에 있음이 확인된다. 유한요소해석으로 예측한 시편의 기계적 거동과 실제 시험에서 얻어진 결과가 유사한 것으로 판단되며, 본 유한요소모델 방법 및 해석의 타당성을 입증하였다.
- 한편, 격자 시편의 경우 -15 kN까지 선형성이 유지됨을 확인할 수 있다. 유한요소 모델에서 좌굴임계하중을 계산한 결과, 격자가 없는 모델은 -10 kN으로 계산된 반면, 격자 모델의 경우 -17 kN으로 계산되었다. 즉, 제안된 격자구조는 비격자구조에 비해 21%의 무게 증가가 발생하지만, 면외 방향으로 강성을 향상시켜 곡면 방향에 대해 좌굴임계하중을 70% 증가시켜, 좌굴을 방지하는데 효과적인 것으로 판단된다.
- 시험 결과 X방향의 시험조건에서는 제안된 시편이 선형변형구간에 있음이 확인된다. 유한요소해석으로 예측한 시편의 기계적 거동과 실제 시험에서 얻어진 결과가 유사한 것으로 판단되며, 본 유한요소모델 방법 및 해석의 타당성을 입증하였다. X방향의 인장 압축 거동에서는 격자 패널 시편의 변형이 보다 작게 나타나기는 하지만, 격자에 의한 면내강성 증가의 효과가 유의미하게 부각되지는 않는다고 판단된다.
- 격자 패널의 경우, 해석으로 예측한 값과 일치하는 것으로 보이고 격자가 없는 패널의 경우, 하중의 차이는 일부 존재하나, 경향성은 일치하고 있다. 이를 통해, 격자 구조물이 패널의 굽힘 강성을 약 2.7배 향상시키는 것을 시험과 해석을 통해 입증하였다.
- 유한요소해석에서는 두 구조의 거동이 거의 유사하게 계산되었다. 전단 하중 시험 결과에서 살펴보면, 일정 하중 이하의 선형 구간에서 비격자 구조의 변형이 격자 구조보다 작게 나타나는 것을 확인할 수 있으나, 이는 복잡한 구성품들이 포함되어 있는 전단 치구 셋업에서 발생할 수 있는 오차 수준으로 판단되어 실질적으로 큰 차이는 없는 것으로 보인다. 한편, 격자가 없는 패널 시편의 경우에는 하중 증가에 따른 일부 비선형 구간이 나타난 것을 확인하였다.
- 제작된 격자 패널의 기계적 특성을 확인하기 위하여 축방향에 대한 인장 및 압축, 전단, 굽힘 하중 시험을 수행하였다. 제안된 격자 패널 구조는 축방향 인장, 압축 및 전단시험에서, 선형구간 내에서 동일 하중에 대한 변형이 격자가 없는 구조에 비하여 적게 나타났지만 그 차이는 크지 않았다. 즉, 격자 구조로 인한 면내 강성의 증가효과는 미미하였다.
- 본 연구에서는 새로운 복합재료 격자 패널 제작 방법을 제안하였으며, 기계적 특성을 시험을 통해 확인하였다. 제안된 방법은 기존의 복합재 laminate 제작공정을 그대로 적용할 수 있고, 격자 구조에 의한 추가적인 2차 본딩 공정이 필요치 않다는 장점이 있다. 그리고 격자의 일정한 폭, 격자간 거리 및 두께를 기대할 수 있다.
- 6 kN으로 계산되었다. 즉, 격자에 의해 21%의 무게 증가가 발생하지만, 면외 방향의 강성 증가에 의해 약 68%의 좌굴하중 증가 효과가 있는 것으로 생각된다. X방향 압축하중 하에서의 좌굴 모드 해석결과는 Fig.
- 유한요소 모델에서 좌굴임계하중을 계산한 결과, 격자가 없는 모델은 -10 kN으로 계산된 반면, 격자 모델의 경우 -17 kN으로 계산되었다. 즉, 제안된 격자구조는 비격자구조에 비해 21%의 무게 증가가 발생하지만, 면외 방향으로 강성을 향상시켜 곡면 방향에 대해 좌굴임계하중을 70% 증가시켜, 좌굴을 방지하는데 효과적인 것으로 판단된다. Y방향 압축하중 하에서의 좌굴모드 해석 결과는 Fig.
- 이는 시편의 기하학적 특성인 Y방향의 곡률에 의한 현상으로 판단된다. 하지만, 본 연구에서 제안하는 격자 패널 시편의 경우, 이러한 현상이 나타나지 않는 것으로 보아 곡률로 인한 비선형 현상을 격자 구조가 완화해 주는 것으로 판단된다.
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