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문제 정의
- 4% 차이로 유사성을 보이고 있다. 따라서 본 연구를 통해 새로운 방법으로 제작한 직교 격자 쉘의 굽힘 하중에 의해 발생한 손상에 대한 유한요소모델을 제안하고, 이를 통해 직교 격자 구조의 손상에 의한 직교 격자 쉘의 강성 감소와 손상 크기에 대한 해석의 신뢰도를 시험을 통해 확인하였다.
- 본 논문에서는 항공기용으로 제작한 직교 격자 쉘의 굽힘 강도를 해석적으로 추정이 가능한지 확인하기 위하여 굽힘 하중 시험을 수행하였으며, 이를 점진적 손상 해석으로 모사하였다. 제작한 직교 격자 쉘은적용 대상 항공기의 동체를 고려하여 횡방향으로 곡률 반경을 설정하였으며, 평직물 CFRP로 제작하였다.
제안 방법
- 5mm로 설정하였다. 격자 구조의 두께 방향에 대해서는 7층으로 나누어 요소를 모델링하였다(Fig. 2(a)).
- 2(b)). 둥근 강체는 하중을 받는 격자 구조의 윗면과 면대면 접촉(Surface to Surface Contact) 상태로 모델링하였다[18].
- 시편의 경우, y방향에 대해 곡률을 가지고 있으므로 x방향 선상에 대하여 하중을 부가하여야 한다. 따라서 하중을 가해주는 부분은 지름 20mm인 둥근 강체로 모델링하였으며, 시편의 x방향 선상에 대하여 하중을 부가하도록 모델링하였다(Fig. 2(b)).
- 직교 격자 쉘의 굽힘 하중에 의한 점진적 손상 해석은 상용 유한요소해석 프로그램ABAQUS[13]를 이용하여 비선형 해석으로 수행하였다. 또한, 직교 격자 쉘의 손상 영역은 육안검사와 초음파 비파괴 검사를 통해 측정하였으며, 이를 점진적 손상 해석으로 예측한 결과와 비교하였다.
- 변위는 MTS 809[24] 재료 시험기를 통해 시편의 가운데 부분에 대해 측정하였다. 직교 격자 구조의 손상이 개시된 것으로 추정되는 지점은 Fig.
- 4와 같다. 변형률은 NI사의 DAQ장비(PXIe-1071)[26]를 이용하여 측정하였다(Fig. 5). 3점 굽힘 시험은 x방향 선상의 두 모서리를 시험 치구(Fig.
- 본 논문에서는 굽힘 하중을 받는 평직물 CFRP 직교 격자 쉘의 점진적 손상 해석을 수행하였으며, 이를 3점 굽힘 시험에서 측정한 변위, 변형률, 손상 영역에 대한 결과와 비교하였다. 3점 굽힘 시험의 경우, 손상이 개시된 지점에서의 하중은 3.
- 본 장에서는 유한요소해석에서 굽힘 하중을 받은 직교 격자 쉘의 응력 결과에 대해 기술하였으며, 3점 굽힘 시험에서 발생한 변위, 변형률, 손상 영역을 유한요소해석으로 예측한 결과와 비교하였다.
- 3). 시편의 양 끝단 모서리와 접하는 굽힘 시험 치구는 x축 방향에 대하여 회전이 가능하도록 설계 및 제작하였다.
- 3점 굽힘 시험에 대한 유한요소해석에서의 경계조건 및 하중은 다음과 같다. 시험과 동일한 경계조건을 구현하기 위하여 시편의 경계조건은 직교 격자쉘 양 끝단 모서리의 z축 방향 자유도를 구속하였다. 하중을 가해주는 둥근 강체는 z축 방향 자유도를 제외한 모든 자유도를 구속하였다(Fig.
- 이를 통해 Tsai 등[5]의 interlocked 격자 구조의 단점인 추가적인 본딩 공정을 제거하였으며, 격자 결합부를 없앰으로 인해 응력집중을 완화하였다. 이처럼 본 논문에서는 새로운 방법으로 제작한 직교 격자 쉘의 굽힘 하중에 의한 손상에 대하여 유한요소모델을 제안하고, 이를 3점 굽힘 시험에서 측정한 하중, 변위, 변형률 결과와 비교하여 해석의 신뢰성을 입증하였다. 직교 격자 쉘의 굽힘 하중에 의한 점진적 손상 해석은 상용 유한요소해석 프로그램ABAQUS[13]를 이용하여 비선형 해석으로 수행하였다.
- 직교 격자 쉘의 바닥면은 준등방성으로 적층하였고, 격자 구조는 일방향에 대하여 적층하였다. 제작한 직교 격자 구조는 Tsai 등[5]의 interlocked 격자 구조와 달리, 격자 패턴 몰드에 프리프레그를 적층하여 격자와 바닥면간의 일체 성형으로 제작하는 새로운 방식으로 구현하였다. 이를 통해 Tsai 등[5]의 interlocked 격자 구조의 단점인 추가적인 본딩 공정을 제거하였으며, 격자 결합부를 없앰으로 인해 응력집중을 완화하였다.
- 본 논문에서는 항공기용으로 제작한 직교 격자 쉘의 굽힘 강도를 해석적으로 추정이 가능한지 확인하기 위하여 굽힘 하중 시험을 수행하였으며, 이를 점진적 손상 해석으로 모사하였다. 제작한 직교 격자 쉘은적용 대상 항공기의 동체를 고려하여 횡방향으로 곡률 반경을 설정하였으며, 평직물 CFRP로 제작하였다. 직교 격자 쉘의 바닥면은 준등방성으로 적층하였고, 격자 구조는 일방향에 대하여 적층하였다.
- 3의 (b)에 나타내었다. 직교 격자 구조의 손상이 구조의 강성 저하에 미치는 영향을 확인하고자, 변위와 하중은 MTS 809[24] 재료 시험기를 통해 측정하였으며, 시편의 변형률은 스트레인 게이지 2개로 측정하였다. 스트레인 게이지는 직교 격자 쉘의 뒷면에 부착되었으며, 부착 위치는 Fig.
대상 데이터
- 본 논문에서 사용한 평직물 CFRP 복합재는 Huguet[23]의 연구에 수록된 Hexcel사의 평직물 CFRP 복합재(AS4-8552 -AGP193)의 탄성 계수, 전단 계수, 푸아송비, 재료의 강도와 유사하다. 따라서 단위면적당 파괴 에너지도 유사할 것으로 판단하여 Huguet[23]의 연구 자료를 사용하였다.
- 점진적 손상 해석은 ABAQUS[13]의 정적해석을 이용하여 수행하였다. 바닥면은 4절점 쉘 요소인 S4R을 사용하였으며, 격자 구조는 8절점 연속체 쉘 요소인 SC8R을 사용하였다. 하중을 가해주는 치구는 강체 요소(Rigid Element)인 R3D4로 모델링 하였다.
- 본 논문에서 사용한 재료는 Cycom사의 평직물 CFRP 복합재(5276-1 WG30-500)로서, 그에 대한 물성치는 아래 Table 2와 Table 3에 나타내었다. 재료의물성치는 인장(ASTM D 3039[19]), 압축(ASTM D6641[20]), 전단(ASTM D 5379[21]) 규격에 따라 시편을 제작하여 시험한 결과를 참고하였다.
- 본 논문의 시편인 평직물 CFRP로 제작한 직교 격자 쉘의 형상은 Fig. 1에 나타내었다. 시편은 기존의 파라볼라 안테나 구조대비 레이더 반사면적(Rader Cross Section, RCS) 감소를 위해 개발하는 어레이안테나 내장 일체형 구조의 타일 안테나 하우징 구조 일부분이며, 직교 격자의 높이와 간격은 타일 안테나의 크기를 고려하여 설계되었다.
- 하중을 가해주는 치구는 강체 요소(Rigid Element)인 R3D4로 모델링 하였다. 본 해석에서 사용한 절점의 개수는 107,810개, 요소는 91,872개이다. 또한, 요소의 특성 길이(Lc)는 Table 2~4의 물성치를 참고하여 아래 식 (8)로 계산하여 4.
- 1에 나타내었다. 시편은 기존의 파라볼라 안테나 구조대비 레이더 반사면적(Rader Cross Section, RCS) 감소를 위해 개발하는 어레이안테나 내장 일체형 구조의 타일 안테나 하우징 구조 일부분이며, 직교 격자의 높이와 간격은 타일 안테나의 크기를 고려하여 설계되었다. 또한, 항공기 동체 적용을 위한 기하학적 형상 특징으로 인해 y방향으로 곡률 반경 3,500mm를 지니고 있으며(Fig.
- 바닥면은 4절점 쉘 요소인 S4R을 사용하였으며, 격자 구조는 8절점 연속체 쉘 요소인 SC8R을 사용하였다. 하중을 가해주는 치구는 강체 요소(Rigid Element)인 R3D4로 모델링 하였다. 본 해석에서 사용한 절점의 개수는 107,810개, 요소는 91,872개이다.
이론/모형
- 3점 굽힘 시험은 ASTM D790[25] 시험 규격을 참고하여 MTS 809[24] 재료 시험기를 통해 수행하였으며, 이에 대한 시험의 구성은 Fig. 3의 (b)에 나타내었다. 직교 격자 구조의 손상이 구조의 강성 저하에 미치는 영향을 확인하고자, 변위와 하중은 MTS 809[24] 재료 시험기를 통해 측정하였으며, 시편의 변형률은 스트레인 게이지 2개로 측정하였다.
- 본 논문에서는 Hashin-Rotem[6] 파손 기준을 점진적 손상 개시 기준으로 사용하였다. Hashin–Rotem[6] 파손 기준은 복합재의 파손 발생시, 파손 모드에 대하여 알 수 있으며, 아래 식 (1)~(4)에 나타내었다.
- 본 논문에서는 Matzenmiller-Lubliner-Taylor(MLT) 모델을 사용하여 점진적 손상 해석을 수행하였다. MLT모델은 1995년 Matzenmiller 등[14]에 의하여 제시된 대표적인 복합재의 점진적 손상 해석 모델로 현재까지 널리 사용되고 있다.
- 10(a)). 육안 검사만으로 손상 영역에 대하여 판단하기 어려우므로 초음파 비파괴 검사 기법 중 펄스-에코 초음파전파 영상화(Pulse-Echo Ultrasonic Wave Propagation Imaging, PE UWPI) 시스템[27]을 이용하여 시편의 손상 검사를 수행하였다. 초음파 비파괴 검사(PEUWPI)를 통해 측정한 손상 영역의 길이는 (1)에서 48.
- 본 논문에서 사용한 재료는 Cycom사의 평직물 CFRP 복합재(5276-1 WG30-500)로서, 그에 대한 물성치는 아래 Table 2와 Table 3에 나타내었다. 재료의물성치는 인장(ASTM D 3039[19]), 압축(ASTM D6641[20]), 전단(ASTM D 5379[21]) 규격에 따라 시편을 제작하여 시험한 결과를 참고하였다. 평직물 복합재 모델링은 Alcock 등[22]의 연구를 참고하여 평직물 CFRP 1 ply를 절반으로 나누어 cross ply 형태로모델링하는 기법을 이용하였다.
- 점진적 손상 해석은 ABAQUS[13]의 정적해석을 이용하여 수행하였다. 바닥면은 4절점 쉘 요소인 S4R을 사용하였으며, 격자 구조는 8절점 연속체 쉘 요소인 SC8R을 사용하였다.
- 이처럼 본 논문에서는 새로운 방법으로 제작한 직교 격자 쉘의 굽힘 하중에 의한 손상에 대하여 유한요소모델을 제안하고, 이를 3점 굽힘 시험에서 측정한 하중, 변위, 변형률 결과와 비교하여 해석의 신뢰성을 입증하였다. 직교 격자 쉘의 굽힘 하중에 의한 점진적 손상 해석은 상용 유한요소해석 프로그램ABAQUS[13]를 이용하여 비선형 해석으로 수행하였다. 또한, 직교 격자 쉘의 손상 영역은 육안검사와 초음파 비파괴 검사를 통해 측정하였으며, 이를 점진적 손상 해석으로 예측한 결과와 비교하였다.
- 재료의물성치는 인장(ASTM D 3039[19]), 압축(ASTM D6641[20]), 전단(ASTM D 5379[21]) 규격에 따라 시편을 제작하여 시험한 결과를 참고하였다. 평직물 복합재 모델링은 Alcock 등[22]의 연구를 참고하여 평직물 CFRP 1 ply를 절반으로 나누어 cross ply 형태로모델링하는 기법을 이용하였다. 이 모델링 기법은 직물 복합재의 전단비선형성은 고려할 수 없지만, 거시적 관점에서 방향에 따른 인장 및 압축에 의한 파손모드를 고려할 수 있다는 장점이 있다.
성능/효과
- 시편을 올려둔 치구와 시편 간에는 여유 공간이 존재하며, y 방향에 대하여 곡률을 가지는 시편은 하중을 받을 때 곡률이 펴지게 되었고, 이로 인해 여유 공간만큼 시편이 z축 방향으로 미세하게 회전하였으며, 유한요소해석과의 비교를 통해 확인한 결과, z축 방향으로 약 3° 회전한 것으로 판단된다.
- 6 kN이다. 시험의 최종 하중인 3.6 kN에서 측정한 변위는 49.95mm로 점진적 손상 해석으로 예측한 결과와 7.89% 차이가 나타났다. 센서#1에서 측정한 변형률은 6,529 μ∊으로 예측한 결과와 6.
- 10(c)). 유한요소해석을 통해 예측한 손상 영역의 길이와 초음파 비파괴 검사로 측정한 손상 영역 길이의 차이는 (1)에서 6.5mm, (2)에서 3mm, (3)에서 0.75mm이며, 각각 13.40%, 7.89%, 1.79%의 차이로 유사하게 나타났다(Table 7).
- 또한, 직교 격자 구조의 손상 영역에 대한 결과도 점진적 손상 해석으로 예측한 결과와 유사하다. 초음파 비파괴 검사(PEUWPI)로 측정한 직교 격자 구조의 손상 영역((1), (2), (3) 지점)의 길이는 강성이 40% 이상 감소된 영역의 예측 결과와 비교하여 최대 13.4% 차이로 유사성을 보이고 있다. 따라서 본 연구를 통해 새로운 방법으로 제작한 직교 격자 쉘의 굽힘 하중에 의해 발생한 손상에 대한 유한요소모델을 제안하고, 이를 통해 직교 격자 구조의 손상에 의한 직교 격자 쉘의 강성 감소와 손상 크기에 대한 해석의 신뢰도를 시험을 통해 확인하였다.
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