[논문]필라멘트 와인딩 공법으로 제작한 탄소섬유/에폭시 복합소재 평판의 저속 낙하 충격시험 시뮬레이션에 관한 연구

변종익; 김종열; 허석봉; 김한상

doi:10.7316/khnes.2018.29.2.190

필라멘트 와인딩 공법으로 제작한 탄소섬유/에폭시 복합소재 평판의 저속 낙하 충격시험 시뮬레이션에 관한 연구
Stundy on Simulation Characteristics of Low Velocity Impact Test of Carbon/Epoxy Composite Plates Manufactured by Filament Winding Method 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.29 no.2, 2018년, pp.190 - 196

변종익 (가천대학교 기계공학과) , 김종열 (일진컴포지트(주)) , 허석봉 (일진컴포지트(주)) , 김한상 (가천대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Carbon fiber/epoxy composites are typical brittle materials and have low impact properties. Recently, it is important to investigate impact characteristics of carbon fiber composites because of increasing use as automobile parts and high pressure hydrogen vessels of fuel cell electric vehicles for light weight. In this study, the low velocity impact properties of carbon fiber/epoxy composites fabricated by a filament winding method are studied. The low velocity impact properties were measured by performing tests according to ASTM D7136. The low velocity impact simulations were carried out using commercial structural analysis software, Abaqus. The absorbed energy and the delamination shapes were compared between the experimental and simulation results. The numerical analysis method showed that the absorbed energy decreased with the reduced number of cohesive elements in the composite models.

주제어

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문제 정의

본 연구에서는 필라멘트 와인딩 공법으로 제작한 복합재료 평판에 대해 저속 낙하 충격 시험을 진행하여 탄소섬유/에폭시 복합재료의 낙하충격 성능을 확인하였고, Abaqus를 이용하여 복합재의 층간 cohesive 층의 수를 조절하여 필라멘트 와인딩 공법으로 제작된 복합재료 평판의 층간 조건에 맞는 저속 낙하 충격 시뮬레이션 방법을 제시하였다.

가설 설정

충격체와 복합재 사이에는 general contact를 사용하였다. 복합재 평판에 충돌하는 충격체의 변형은 작다고 가정하였고, 해석시간 단축을 위하여 rigid body (R3D4)로 모델링하였다¹⁰⁾. 복합재 평판의 인장 물성과 전단 물성은 ASTM D3039, ASTM D5379 규격의 시험을 통해 얻었고, 압축, 층간 물성은 참고문헌을 통해 얻었다.

제안 방법

필라멘트 와인딩 공정으로 제작한 복합재 평판에 31.8 J의 충격에너지로 저속 충격 시험을 진행하였고, 상용 구조해석 소프트웨어인 Abaqus 2016을 이용해 저속 충격시험 시뮬레이션을 진행하여 다음과 같은 결과를 확인하였다.

대상 데이터

시험기기는 Instron ceast-9350을 이용하였고, 시험은 ASTM D7136 규격을 따라 진행하였다⁹⁾. 복합재료 평판은 일진복합소재에서 필라멘트 와인딩 공법을 이용해 제작하였으며 시편의 크기는 150×100 mm이고, 두께는 한 층에 0.4 mm로 총 12 plies, 4.8 mm로 제작하였다. 적층각도는 [0/90]_3s로 적층한 시편 5개를 제작하여 낙추시험을 진행하였다.

이론/모형

4와 같이 각각 수직, 전단향이며, N, S, T는 interlaminar normal, shear strength이다. Cohesive element의 완전한 파손을 예측하기 위하여 Benzeggagh-Kenane (BK) law를 사용하여 점진적 파손을 적용하였다^6,7,10).
Model 3은 시험 결과상 층간 박리가 가장 뚜렷하게 보이는 중간면에 cohesive element 1개를 삽입하여 모델링하였고, model 4는실제 복합재 층의 기지재 층간에 cohesive element 가 0개인 상태로 복합재 기지재층이 없는 상태를 모델링하였다. 모든 모델에서 cohesive element와 복합재 ply 사이에는 Tie 구속 족건을 이용하였고, 복합재 평판은 continuum shell (SC8R) 요소로, 복합재 층간은 두께가 0.001 mm인 cohesive element (COH3D8) 요소를 이용해 모델링하였다. 충격체와 복합재 사이에는 general contact를 사용하였다.
복합재 평판 파손의 시작 기준은 Table 2와 같은 Hashin’s failure criterion¹¹⁾을 적용하여 섬유의 인장과 압축 파손, 기지재의 인장과 압축 파손을 예측하였다¹⁰⁾.
복합재 평판에 충돌하는 충격체의 변형은 작다고 가정하였고, 해석시간 단축을 위하여 rigid body (R3D4)로 모델링하였다¹⁰⁾. 복합재 평판의 인장 물성과 전단 물성은 ASTM D3039, ASTM D5379 규격의 시험을 통해 얻었고, 압축, 층간 물성은 참고문헌을 통해 얻었다. 시뮬레이션에 사용한 물성은 Table 1과 같다⁶⁾.
복합재료 평판은 상용 구조해석 소프트웨어 Abaqus를 이용하여 4가지 모델로 진행하였다. Model 1은 대부분의 복합재 평판 구조해석에서 사용하는 모델로, 복합재료 12 ply 사이에 모두 cohesive element를 적용하여 모델링을 진행하였다^5-7).
2와 같이 낙추시험을 진행하였다. 시험기기는 Instron ceast-9350을 이용하였고, 시험은 ASTM D7136 규격을 따라 진행하였다⁹⁾. 복합재료 평판은 일진복합소재에서 필라멘트 와인딩 공법을 이용해 제작하였으며 시편의 크기는 150×100 mm이고, 두께는 한 층에 0.

성능/효과

2) 낙추시험을 진행한 결과 31.8 J의 충격에너지를 가한 결과 평균 8.507 J의 에너지를 흡수하여 복합재의 파손에 기여한 것을 확인하였고, 초음파탐상검사를 이용하여 복합재 층간 박리가 0°, 90°로 적층으로 인해 ‘＋’ 형태로 발생하는 것을 확인하였다.
3) 복합재 저속 충격시험 구조해석을 진행한 결과 cohesive element를 1개 이용하여 모델링한 mod-el 3이 가장 실험과 근접한 흡수에너지 값을 얻는 것을 확인했다. 또한 복합재 시뮬레이션에서 cohesive element 수에 따라 흡수에너지 정도가 달리지는 것을 확인하였고, 복합재 층간 파손이 복합재의 전체 흡수에너지에 중요한 역할을 하는 것을 확인하였다.
3) 복합재 저속 충격시험 구조해석을 진행한 결과 cohesive element를 1개 이용하여 모델링한 mod-el 3이 가장 실험과 근접한 흡수에너지 값을 얻는 것을 확인했다. 또한 복합재 시뮬레이션에서 cohesive element 수에 따라 흡수에너지 정도가 달리지는 것을 확인하였고, 복합재 층간 파손이 복합재의 전체 흡수에너지에 중요한 역할을 하는 것을 확인하였다.
모든 시뮬레이션 모델에서 충격체의 초기 운동에너지 값은 시험과 일치하는 결과를 확인하였다. 충격이 끝난 후 복합재의 기지재 파손을 확인해 보면 모든 모델에서 Fig.
4 J을 갖는 것을 확인하였다. 복합재 낙추시험 시뮬레이션 진행 결과 복합재 섬유와 기지재에 파손되는 에너지는 5.5 J이고 ply 사이의 기지재 층의 파손에 따라서 흡수에너지가 증가하는 경향을 확인하였다. Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	탄소섬유/에폭시로 제작된 복합재료가 저속 충격을 받을 때의 특성은 무엇인가?	탄소섬유/에폭시로 제작된 복합재료는 저속 충격을 받을 때 충격체의 운동에너지를 모두 흡수하고, 이후 복합재료의 파손에 사용되는 흡수에너지를 제외한 나머지 에너지는 탄성 복원을 통해 다시 충격체로 전달된다. 따라서, 복합재료의 흡수에너지로부터 파손의 정도를 예측할 수 있다.
	복합재료의 충격을 고속충격과 저속충격으로 나누는 기준은 무엇인가?	복합재료의 충격은 크게 저속 충격과 고속 충격으로 나눠진다. 고속과 저속충격의 나누는 기준은 시편의 강성에 따라 차이가 있지만 대부분 연구에서 1-100 m/s를 저속충격이라고 하고, 고속 충격은 그 이상의 속도의 충격을 고속 충격으로 정의한다1). 저속에서 고속 충격으로서 갈수록 복합재가 충격에 응답 시간이 부족하여 국부적이 충격손상이 발생한다.
	복합재료에서 저속충격의 시뮬레이션 예측이 중요한 이유는 무엇인가?	저속에서 고속 충격으로서 갈수록 복합재가 충격에 응답 시간이 부족하여 국부적이 충격손상이 발생한다. 저속 충격의 경우 충격 후 눈에 보이는 손상보다 내부의 층간 박리가 크기 발생하여 복합재에 예측하기 힘든 강도저하가 발생하기 때문에 저속충격의 시뮬레이션 예측은 매우 중요하다.

참고문헌 (11)

M. O. W. Richardson and M. Wisheart, "Review of low-ve- locity impact properties of composite materials", Composite part A, Vol. 27, No. 12, 1996, pp. 1123-1131.

상세보기
A. Serge, "Impact on composite structures", Cambridge university press, 1998.
G. A. O. Davies and X. Zhang, " Impact damage prediction in carbon composite structures", Int. J. Impact Engng, Vol. 16. No.1, 1995, pp. 149-170.

상세보기
J. W. Han, "Low-velocity impact characterization of lami- nated composite materials", KOSOS, Vol. 23, No. 6, 2008, pp. 34-37.
A. Riccio, "Modelling the simulation of impact induced damage onset and evolution in composites", Composites : Part B, Vol. 66, 2014, pp. 340-347.

상세보기
Y. Shi and T. Swait, "Modelling damage evolution in com- posite laminates subjected to low velocity impact", Composite structures, Vol. 94, 2012, pp. 2902-2913.

상세보기
Y. Shi and T. Swait, "Modelling impact damage in compo- site laminates : A simulation of intra and interlaminar cracking", Composite structure, Vol. 114, 2014, pp. 10-19.

상세보기
I. H. Choi and C. S. Hong, "Estimation of damaged areas due to low-velocity impact in composite laminates", KSAS, Vol. 22, No. 4, 1994, pp. 78-88.
American society for testing and material, "ASTM D7136 : Stanard test for measuring the damage resistance of a fiber-reinforced polymer matrix composite to a drop-weight impact event", 2007.
Dassault system, "Abaqus Analysis user's guild", Abaqus documentation 2016, 2016.
Z. Hashin, "Failure Criteria for unidirectional fiber composites", ASME, Vol. 47, 1980, pp. 329-334.

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