고 변형률 속도에 대한 소재의 동적 압축 물성은 고속 충돌 및 고속 성형 등 동적 환경에서의 유한요소 해석의 신뢰성 향상을 위해 필수적이다. 일반적으로 고 변형률 속도에 대한 소재의 동적 압축 물성은 SHPB(Split Hopkinson Pressure Bar) 장비를 통해 획득 가능하다. 본 연구에서는 최근 무인 항공기에 확대 적용되고 있는 Woven type CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic) 소재에 대한 충돌 해석에 대응하기 위해 SHPB 장비를 활용하여 해당 소재의 동적 압축 물성을 획득하였다. 또한 Pulse shaper를 활용하여, Elastic-brittle 특성을 지니는 소재에 대한 일정한 변형률 속도 확보 및 실험 데이터에 대한 신뢰도를 향상시켰다. CFRP 소재의 경우 방향 별 기계적 물성이 다른 이방성 소재이므로 두께 방향과 면내 방향 시편을 제작하여 각각 실험을 수행하였다. SHPB 실험 결과 면내 방향 시편의 경우 일정한 변형률 속도 영역에 도달하기 전, 시편의 파단이 발생하여 데이터의 재현성 및 신뢰성 확보에 어려움이 있는 반면, 두께 방향의 시편의 경우 시편 전·후면 응력일치도가 우수하여 데이터 신뢰도가 높으며, 일정한 변형률 속도 영역을 획득할 수 있다. LS-dyna를 활용한 유한요소해석을 통해, 압력봉으로부터 측정되는 데이터는 시편과 압력봉의 변형에 의해 변형률이 과도하게 예측되는 것을 확인하였다.
고 변형률 속도에 대한 소재의 동적 압축 물성은 고속 충돌 및 고속 성형 등 동적 환경에서의 유한요소 해석의 신뢰성 향상을 위해 필수적이다. 일반적으로 고 변형률 속도에 대한 소재의 동적 압축 물성은 SHPB(Split Hopkinson Pressure Bar) 장비를 통해 획득 가능하다. 본 연구에서는 최근 무인 항공기에 확대 적용되고 있는 Woven type CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic) 소재에 대한 충돌 해석에 대응하기 위해 SHPB 장비를 활용하여 해당 소재의 동적 압축 물성을 획득하였다. 또한 Pulse shaper를 활용하여, Elastic-brittle 특성을 지니는 소재에 대한 일정한 변형률 속도 확보 및 실험 데이터에 대한 신뢰도를 향상시켰다. CFRP 소재의 경우 방향 별 기계적 물성이 다른 이방성 소재이므로 두께 방향과 면내 방향 시편을 제작하여 각각 실험을 수행하였다. SHPB 실험 결과 면내 방향 시편의 경우 일정한 변형률 속도 영역에 도달하기 전, 시편의 파단이 발생하여 데이터의 재현성 및 신뢰성 확보에 어려움이 있는 반면, 두께 방향의 시편의 경우 시편 전·후면 응력일치도가 우수하여 데이터 신뢰도가 높으며, 일정한 변형률 속도 영역을 획득할 수 있다. LS-dyna를 활용한 유한요소해석을 통해, 압력봉으로부터 측정되는 데이터는 시편과 압력봉의 변형에 의해 변형률이 과도하게 예측되는 것을 확인하였다.
Dynamic compressive material properties at high strain rates is essential for improving the reliability of finite element analysis in dynamic environments, such as high-speed collisions and high-speed forming. In general, the dynamic compressive material properties for high strain rates can be obtai...
Dynamic compressive material properties at high strain rates is essential for improving the reliability of finite element analysis in dynamic environments, such as high-speed collisions and high-speed forming. In general, the dynamic compressive material properties for high strain rates can be obtained through SHPB equipment. In this study, SHPB equipment was used to acquire the dynamic compressive material properties to cope with the collision analysis of Woven tpye CFRP material, which is being recently applied to unmanned aerial vehicles. It is also used as a pulse shaper to secure a constant strain rate for materials with elastic-brittle properties and to improve the reliability of experimental data. In the case of CFRP material, since the anisotropic material has different mechanical properties for each direction, experiments were carried out by fabricating thickness and in-plane specimens. As a result of the SHPB test, in-plane specimens had difficulty in securing data reproducibility and reliability due to fracture of the specimens before reaching a constant strain rate region, whereas in the thickness specimens, the stress consistency of the specimens was excellent. The data reliability is high and a constant strain rate range can be obtained. Through finite element analysis using LS-dyna, it was confirmed that the data measured from the pressure rod were excessively predicted by the deformation of the specimen and the pressure rod.
Dynamic compressive material properties at high strain rates is essential for improving the reliability of finite element analysis in dynamic environments, such as high-speed collisions and high-speed forming. In general, the dynamic compressive material properties for high strain rates can be obtained through SHPB equipment. In this study, SHPB equipment was used to acquire the dynamic compressive material properties to cope with the collision analysis of Woven tpye CFRP material, which is being recently applied to unmanned aerial vehicles. It is also used as a pulse shaper to secure a constant strain rate for materials with elastic-brittle properties and to improve the reliability of experimental data. In the case of CFRP material, since the anisotropic material has different mechanical properties for each direction, experiments were carried out by fabricating thickness and in-plane specimens. As a result of the SHPB test, in-plane specimens had difficulty in securing data reproducibility and reliability due to fracture of the specimens before reaching a constant strain rate region, whereas in the thickness specimens, the stress consistency of the specimens was excellent. The data reliability is high and a constant strain rate range can be obtained. Through finite element analysis using LS-dyna, it was confirmed that the data measured from the pressure rod were excessively predicted by the deformation of the specimen and the pressure rod.
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제안 방법
또한 SHPB 실험시, 구리 소재의 Pulse shaper를 사용하여 시편의 전ㆍ후면 일치도를 증가시켜 획득 데이터의 신뢰성을 증가시켰으며[4], 유한요소해석 상용프로그램인 LS– DYNA를 사용하여 SHPB 장비를 통해 획득되어진 데이터들을 검증하였다.
동적 물성 획득에 관한 대표적으로 사용되는 장비는 고속 인장 시험장비, SHTB(Split Hopkinson Tensile Bar), SHPB(Split Hopkinson Pressure Bar) 등이 있다. 본 연구에서는 항공 및 자동차 등 여러 분야에서 활발히 적용되고 있는 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic) 복합재에 대해 10 2 /sec~10 4 /sec 변형률 속도 영역 내에서 데이터 획득이 가능한 SHPB 장비를 사용하여 동적 압축 물성을 획득하였다. 특히, 본 연구 소재의 경우 방향 별 특성이 다른 점을 고려하여 직조(Woven) 형태의 CFRP를 두께 방향(thickness direction)과 면내 방향(in-plane direction)으로 나누어 시편을 제작하였다.
본 연구에서는 항공 및 자동차 등 여러 분야에서 활발히 적용되고 있는 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic) 복합재에 대해 10 2 /sec~10 4 /sec 변형률 속도 영역 내에서 데이터 획득이 가능한 SHPB 장비를 사용하여 동적 압축 물성을 획득하였다. 특히, 본 연구 소재의 경우 방향 별 특성이 다른 점을 고려하여 직조(Woven) 형태의 CFRP를 두께 방향(thickness direction)과 면내 방향(in-plane direction)으로 나누어 시편을 제작하였다. 또한 SHPB 실험시, 구리 소재의 Pulse shaper를 사용하여 시편의 전ㆍ후면 일치도를 증가시켜 획득 데이터의 신뢰성을 증가시켰으며[4], 유한요소해석 상용프로그램인 LS– DYNA를 사용하여 SHPB 장비를 통해 획득되어진 데이터들을 검증하였다.
LS-DYNA 상용프로그램을 통하여 Fig. 14에 나타난 것과 같이 모델링 후 유한요소해석을 통해 앞선 SHPB 실험 데이터와의 비교를 수행하였다. 해석모델의 경우 입력봉, 출력봉, 충격봉, 시편, pulse shaper 로 구성하였나, 압력봉의 경우 탄성 영역 내에서 변동 하므로 탄성 물성만 고려하였고 pulse shaper의경우 인가 압력에 따른 변형률 속도 반영을 위해 J/C 모델을 사용하였다.
SHPB 장비의 경우 steel bar 표면에 부착된 strain gague로부터 간접적으로 측정된 데이터 이며, 실험 중 시편에 대한 변형 정보와 steel bar에대한 변형 정보가 동시에 발생하게 되고, 이는 DIC 측정과 달리 변형률이 과하게 측정되어 DIC 장비에 비해 stiffness가 완만하게 나오게 되므로 편차가 발생한 것이다[22-25]. 따라서 SHPB 실험으로 얻은 결과의 유효성을 확인하기 위하여 제조사에서 제공된 물성 Table 3을 참고하여 항복 강도 값을 각각 1.5 GPa, 1.8GPa, 2.1GPa로 수정하여 해석을 수행하였다.
본 연구에서는 동적 물성획득 장비인 SHPB를 사용하여 Woven type의 CFRP에 대한 동적 압축 물성 획득 및 유한요소해석 상용프로그램인 LS-DYNA를 통해 물성 검증을 진행하였다. 또한 Elastic-Brittle한소재의 특성을 반영해 입사파의 파형을 조절하여 반사파에서 획득되는 일정한 변형률 속도 구간을 확보 하기 위하여 pulse shaper method가 적용되었으며, 두께 방향 대비 면내 방향 시편의 경우 외부 하중에 대한 저항이 낮은 특징을 고려해 소재의 두께를 늘려 충분한 저항을 확보하였다.
1GPa의 파형은 반사파의 상승이 나타나지 않음을 알 수 있다. 따라서 항복강도를 1.8GPa로 선정하고 1.0bar, 1.5bar, 2.0bar 실험 조건으로 해석을 수행하였으며, Fig. 20이 해석 결과에 대한 선도를 나타낸 것이다. Fig.
대상 데이터
본 연구에서는 무인기 및 풍력발전기의 터빈 블레이드 등 외부 물체와의 충돌 안정성의 확보가 필요한 분야에 적용되는 SK chemicals 사의 CFRPWSN3KY 프리프레그 소재를 시편으로 선정하였다[13,14]. WSN3KY 프리프레그의 물성은 Table 3에 나타내었다[15].
반사파의 아래 면적은 식 (2)에 의해 변형률과 관계되며, 3t 대비 5t 시편은 반사파의 평평한 부분 확보가 용이하며, 이는 외부 충격하중을 견딜 수 있는 한계가 더 큰 것을 의미한다. 따라서 본 연구에서 면내 방향 시편의 두께를 5t로 제작하였다.
두께방향 3t 시편의 경우 WSN3KY 프리프레그를 15장 적층하여 제작하였으며, 면내 방향 5t 시편의 경우 시편 가공 중 소실되는 부분을 고려하여 64장 적층하여 제작하였다.
이론/모형
14에 나타난 것과 같이 모델링 후 유한요소해석을 통해 앞선 SHPB 실험 데이터와의 비교를 수행하였다. 해석모델의 경우 입력봉, 출력봉, 충격봉, 시편, pulse shaper 로 구성하였나, 압력봉의 경우 탄성 영역 내에서 변동 하므로 탄성 물성만 고려하였고 pulse shaper의경우 인가 압력에 따른 변형률 속도 반영을 위해 J/C 모델을 사용하였다. Johnson-cook 물성 모델의 경우 온도에 의한 소재의 물성 변화를 고려하지 않고 quasi-static과 strain-rate effect 물성 항만을 고려 하였다.
복합재 시편에 대한 해석을 위해서는 방향별 탄성 계수와 인장, 압축 강도 및 각 면에 대한 전단계수, 포아송 비 등 방향별 데이터들이 요구되나 SHPB 실험의 경우 압축 강도 및 파단 변형률에 한정된다. 이런 제한적 요소를 고려해 LS-DYNA MAT-24 카드를 사용하였고, failure effective strain 항목을 사용하여 모델의 파단을 구현하였다.
성능/효과
또한 단방향 섬유강화 플라스틱의 0°, 45°, 90° 적층 시편에 대한 인장시험 파단면을 SEM (Scanning Electron Microscope)로 관측한 결과, 0°와 90° 적층 시편은 정적 및 동적 실험 모두 섬유 및 기지의 파단이 발생하나 45° 적층 시편의 경우 동적 실험에서만 기지의 자체 파단(matrix self-fracture)이 관측됨을 확인 하였으며, 이는 시편 방향에 따라 다른 파단 형상이 나타나는 것을 알 수 있다[19].
하지만 실험 데이터 값에서는 반사파의 변형률 속도 부분이 우상향하는 경향성이 있으나, 해석 데이터 값의 경우 반사파의 변형률 속도 부분이 평행하게 유지되는 차이가 존재한다. 실제 실험과정에서 외부 충격으로 인한 파단 변형률을 초과했을 시 소재의 파단이 일어 나고 파단된 상태로 서로 얽혀 일부 저항으로 존재 하지만, 해석상의 경우는 파단 변형률을 넘어서게 되면 해당 element가 삭제되기 때문에 실험 결과와 달리 유효 변형률 속도 범위 내에서 탄성 응력파는 평행한 결과를 보이며 파단 이후 시편의 저항이 완전히 제거될 때를 기준으로 탄성파의 상승을 확인할수 있다.
후속연구
항공기 및 자동차 충돌과 같이 하중이 시간에 대해 급격히 변하는 고속 변형 환경 속에서의 재료의 반응은 기존의 준정적(quasi-static) 실험에서 획득된 데이터와는 다르다[2]. 그러므로 위와 같은 동적 환경에서의 재료의 기계적 물성 데이터 획득에 대한 관련 연구 또한 요구된다.
따라서 기지-섬유 적층의 축하중에 대한 저항성 확보 및 실험의 재현성을 확보하기 위해서는 기지의 이른 파단을 방지할 수 있는 실험 적용이 필요하며 이는 면내 방향 시편에 대한 실험은 시편 내 발생하는 순수 압축과 좌굴 현상이 동시에 발생하는 것을 피하기 위해 SHPB 장비가 아닌 SHTB 장비를 활용이 실험의 재현성 및 경향성 확보에 더 적합할 것으로 판단된다. 차후 인장 타입의 동적 물성 획득 실험 장비를 활용한다면 면내 방향에 대한 동적 물성 신뢰성을 높힐 수 있을 것으로 기대된다.
따라서 기지-섬유 적층의 축하중에 대한 저항성 확보 및 실험의 재현성을 확보하기 위해서는 기지의 이른 파단을 방지할 수 있는 실험 적용이 필요하며 이는 면내 방향 시편에 대한 실험은 시편 내 발생하는 순수 압축과 좌굴 현상이 동시에 발생하는 것을 피하기 위해 SHPB 장비가 아닌 SHTB 장비를 활용이 실험의 재현성 및 경향성 확보에 더 적합할 것으로 판단된다. 차후 인장 타입의 동적 물성 획득 실험 장비를 활용한다면 면내 방향에 대한 동적 물성 신뢰성을 높힐 수 있을 것으로 기대된다. 대부분의 복합재료는 탄성 거동을 보이는 소재이므로 압력봉에서 간접적으로 측정되는 데이터를 통해 해당 소재의 탄성률이나 응력-변형률 선도를 획득하는데 제한이 존재한다.
대부분의 복합재료는 탄성 거동을 보이는 소재이므로 압력봉에서 간접적으로 측정되는 데이터를 통해 해당 소재의 탄성률이나 응력-변형률 선도를 획득하는데 제한이 존재한다. 따라서 DIC 장비와 같이 실험 시편의 거동을 직접적으로 측정할 수 있는 장비를 병행한다면 실험 소재에 대한 동적 물성 신뢰성을 높일 수 있을 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
이방성 물질이란 무엇인가
등방성 물질은 소재의 방향별 기계적 특성이 모두 동일한 것을 의미하는 반면, 이방성 물질은 소재의 기계적 특성이 방향마다 값이 달라지는 것을 의미하며, 강화재 및 기지의 배열 방향 결합 순서에 따라 기계적 특성이 달라지는 복합재가 이에 속한다. 그 중 한 평면 내에서 등방성 성질을 가지는 경우를 횡등방성 물질이라고 한다.
CAE(Computer Aided Engineering)를 사용할 때 신뢰성 있는 데이터를 확보하는 방법은 무엇인가
이는 연구 개발 기간 및 실험적 구현에 대한 제약, 금전적 손실 등 외적인 요인들을 줄일 수 있는 장점이 있다[3]. 하지만 CAE(Computer Aided Engineering)을 사용할 때 해석 대상과 주어진 외부 환경에 대한 정보를 정확하게 입력해주어야 신뢰성 있는 데이터를 확보할 수 있다. 따라서 동적 환경에 주어진 대상을 해석할 때에는 정적 환경 외에 동적 물성 데이터 확보가 필수적이다.
유한요소해석 및 컴퓨터를 활용한 연산처리 발전의 장점은 무엇인가
또한 유한요소해석 및 컴퓨터를 활용한 연산처리 발전으로 특정 외부 환경에 노출된 대상에 대한 거동을 정확하고 빠르게 예측할 수 있으며, 그 정확도 역시 증가하고 있다. 이는 연구 개발 기간 및 실험적 구현에 대한 제약, 금전적 손실 등 외적인 요인들을 줄일 수 있는 장점이 있다[3]. 하지만 CAE(Computer Aided Engineering)을 사용할 때 해석 대상과 주어진 외부 환경에 대한 정보를 정확하게 입력해주어야 신뢰성 있는 데이터를 확보할 수 있다.
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