[논문]유한요소해석을 이용한 CF&GF Hybrid Prepreg 적층 패턴에 따른 Z-Spring의 구조해석

김정근; 최선호; 김영근; 김홍건; 곽이구

doi:10.14775/ksmpe.2021.20.03.060

유한요소해석을 이용한 CF&GF Hybrid Prepreg 적층 패턴에 따른 Z-Spring의 구조해석
Finite Element Method Based Structural Analysis of Z-Spring with CF&GF Hybrid Prepreg Lamination Patterns 원문보기

한국기계가공학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, v.20 no.3, 2021년, pp.60 - 67

김정근 (전주대학교 탄소융합공학과) , 최선호 (전주대학교 탄소융합공학과) , 김영근 ((주)에스모터스) , 김홍건 (전주대학교 탄소융합공학과) , 곽이구 (전주대학교 탄소융합공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, research attention has been focused on vibration-free vehicles to transport small numbers of expensive electronic products. Vibration-free vehicles can be used to transport expensive test equipment or semiconductors, mainly produced in the domestic IT industry, and can serve as a readily available transportation system for short driving distances due to the increased efficiency on narrow national highways. This study was aimed at developing a Z-Spring to minimize the vibration by installing an air spring instead of the plate spring applied to conventional freight cars and to prevent the damage of the loaded cargo from the shock occurring during movement. The mechanical properties (elastic modulus, tensile strength, and shear strength) of carbon fiber (CF) and glass fiber (GF) prepreg were derived, and ANSYS ACP PrepPost analyses were performed. It was observed that in the case of hybrid composites, the total deformation and equivalent stress are higher than that of CFRP; however, in terms of the unit cost, the hybrid Z-Spring is more inexpensive and durable compared to the GF.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

진행하였다 . 궁극적으로 Z-Spring 에 기존의 강철 소재보다 더 경량화되고 내구성이 우수한 Hybrid 복합소재를 적용하고자 하였다^[9-11].
이로 인하여 신선한 재료의 운송이 원활해져서 농어민들의 산업에도 기여할 수 있을 것으로 기대된다^[1-3]. 본연구에서는 기존의 화물차에 적용되었던 판스프링을 대신하여 에어스프링 (Air-Spring) 을 장착하여 진동을 최소화하고 이동시 발생하는 충격으로부터 적재된 화물의 손상 및 파손을 막아주기 위한 Z-Spring 을 개발하고자 하였다 . 이러한 에어 스프링을 지지해주는 부품을 기존의 강철 구조재가 하고 있었고 강철 구조재를 경량화하고 내구성까지 보유된 Hybrid Z-Spring 에 대한 연구를 수행하고자 하였다 .
Table 4 는 해당 Z-Spring 의 Hybrid 적층 패턴별 총 변형량과 최대응력을 나타내고 있으며 최대 변형과 최대응력 모두 CF(0°_[2])/GF(0°_[55]) 에서 나타났다 . 이러한 결과를 토대로 적층 패턴에 따른 다양한 결과를 도출하여 최적의 Z-Spring 적층 패턴을 분석하고자 하였다 . Fig.
본연구에서는 기존의 화물차에 적용되었던 판스프링을 대신하여 에어스프링 (Air-Spring) 을 장착하여 진동을 최소화하고 이동시 발생하는 충격으로부터 적재된 화물의 손상 및 파손을 막아주기 위한 Z-Spring 을 개발하고자 하였다 . 이러한 에어 스프링을 지지해주는 부품을 기존의 강철 구조재가 하고 있었고 강철 구조재를 경량화하고 내구성까지 보유된 Hybrid Z-Spring 에 대한 연구를 수행하고자 하였다 . 본 연구에서 Hybrid Z-Spring 이란 Carbon Fiber Prepreg 와 Glass Fiber Prepreg 로 혼합 적층하여 복합재료화한 Z-Spring 을 의미한다.

제안 방법

CFRP 및 GFRP 를 각각의 Prepreg 의 적층에 의한 성형으로 도출된 기계적 물성값( 인장 , 전단강도) 을 기반으로 ANSYS ACP Pre&Post 모듈에 의한 해석을 수행하였으며 해당 결과를 통하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
Z-Spring 의 내구성 평가는 미국 MTS 사의 Multi-Channel Servo Hydraulic Testing System 으로진행되었으며 시험 조건은 변위 0~10 mm 범위내에서 0.5 Hz 로 20 만 회까지 양쪽 끝단에 1250 N 씩 적용하여 총 2500 N 의 하중을 가하여 진행되었다 . 해석 수행의 경우도 이와 동일한 조건으로 진행되었고 Fig.
01 MPa 의 가장 낮은 값을 나타냈다 . 따라서 해당 수치가 다른 패턴에 비해 Z-Spring 으로 제품화하였을 경우 변형이 적게 발생하고 응력에 의한 파손을 최대한 방지할 수 있다고 판단되어 Hybrid 화 된 Z-Spring 의 경우에 도 0° 패턴을 적용하여 해석수행을 하고자 하였다 .
의 물성표이다 . 또한 인장 및 압축 물성에 대한 Stress 와 Strain Limit 값을 산출하였고 이에 기반하여 ANSYS ACP Pre&Post 구조해석을 수행하였다.
2는 Z-Spring 에 적용되는 구속조건을 나타내고 있으며 양쪽 끝단에 각각 2500 N 씩 총 5000 N 의 하중을 적용하였다 . 또한 적층 면에 따른 각도에 대한 내구성 및 응력 집중을 확인하기 위하여 CF 및 GF Prepreg 각각의 적층 패턴을 적용하여 결과를 확인하고자 하였다 . Fig.
이러한 연구를 수행과정에서 CF(Carbon Fiber) 및 GF(Glass Fiber) Prepreg 의 기계적 물성치( 탄성계수 , 인장강도 , 전단강도) 를 해당 Prepreg 로 성형한 시편으로 물성을 확보하고 ANSYS ACP Pre&Post 해석을 진행하였다 . 궁극적으로 Z-Spring 에 기존의 강철 소재보다 더 경량화되고 내구성이 우수한 Hybrid 복합소재를 적용하고자 하였다^[9-11].
. 이를 기반으로 하여 CF 및 GF Prepreg 의 물성치를 적층 패턴에 따라 입력하여 해석을 수행하였다 . Fig.

성능/효과

1) Z-Spring 의 ANSYS ACP Pre&Post 해석 수행 결 과 CFRP 중 0°_[140] 패턴의 경우 총변형량 27.57 mm, 최대응력 156.01 MPa 의 가장 낮은 값을 나타냈다 . 따라서 해당 수치가 다른 패턴에 비해 Z-Spring 으로 제품화하였을 경우 변형이 적게 발생하고 응력에 의한 파손을 최대한 방지할 수 있다고 판단되어 Hybrid 화 된 Z-Spring 의 경우에 도 0° 패턴을 적용하여 해석수행을 하고자 하였다 .
2) Hybrid 화 된 Z-Spring 의 경우 해석이 수행된 총 6 가지의 패턴에 대하여 데이터를 비교 , 분석해본 결과 총변형량과 최대응력이 가장 낮은 GF(0°_[1])/CF(0°_[135])/GF(0°_[1]) 패턴이 가장 우수했다 . 그러나 CF Prepreg 의 함량이 높아 생산 단가 면에서 경쟁력을 확보하기가 어렵다고 판단하였다.
3) 또한 Z-Spring 의 내구성에 대하여 ANSYS 해석수행이 진행되었고 20 만 회 이상의 진동에 대하여 안전하다는 평가를 내릴 수 있었다 . 기존의 Z-Spring 을 CF Prepreg 만으로 제작하는 경우 생산 단가가 높아진다는 단점이 있었다 .
또한 최대 응력이 낮아 특정 부위로 응력이 집중되는 현상을 방지하고 Z-Spring 의 파손을 최대한 억제하고 제품의 수명을 연장시킬 수 있다. 그러나 CF Prepreg 의 함량이 높아 단가 측면에서 불리할 수 있다고 판단되어 총 변형량과 최대 응력 값이 각각 14.4 %, 9.4 % 씩 증가한 Type 2의 시편이 CF 에 비해 GF Prepreg 의 함량이 높고 총변형량과 최대 응력값이 비교적 크게 증가하지 않아 경제성과 기계적 물성 측면에서도 우수하다고 판단된다.
확인되었다 . 또한 Fig. 7 에서 보듯이 20 만회의 진동을 적용한 이후의 내구성을 해석 결과를 통하여 확인한 결과 파손 등의 결함이 발생하지 않은 것으로 판단되며 결론적으로 안전성을 확보한 것으로 판단된다.
5 는 적층 패턴별 최대 변형량과 최대 응력에 대하여 나타낸 그림이다 . 분석 결과 Table 4 에서 Type 3의 경우가 총 변형량 28.11 mm, 최대 응력 166.40 MPa 으로 가장 낮은 수치를 나타내었으며 Type 3 시편이 총 변형량이 낮을수록 Z-Spring 의진 동이 감소하여 차체의 진동에 의한 적재물의 파손을 방지할 수 있는 최적의 시편이라고 판단된다 . 또한 최대 응력이 낮아 특정 부위로 응력이 집중되는 현상을 방지하고 Z-Spring 의 파손을 최대한 억제하고 제품의 수명을 연장시킬 수 있다.
분석 결과 해석으로 진행된 적색 그래프가 실제 장비로 측정된 청색 영역 내에 근접하게 도시된 것으로 확인되었다 . 또한 Fig.

후속연구

기존의 Z-Spring 을 CF Prepreg 만으로 제작하는 경우 생산 단가가 높아진다는 단점이 있었다 . 그러나 이를 보완하여 내구성이 우수하고 생산단가도 저렴한 GF Prepreg 소재를 추가 적층한 Hybrid 소재를 이용한다면 미래의 Z-Spring 제품으로의 적용뿐만 아니라 기존의 강철 제품 혹은 생산단가가 높은 CFRP 제품에 대한 대체품으로써 주목받을 것으로 기대된다.
그러나 CF Prepreg 의 함량이 높아 생산 단가 면에서 경쟁력을 확보하기가 어렵다고 판단하였다. 한편 , 해석이 수행된 CF(0°_[31])/GF(0°_[31])/CF(0°_[31]) 가 그 다음으로 총변형량 및 최대응력이 낮았기 때문에 GF Prepreg 가 다량 포함되어 있어서 CF Prepreg 보다 경제성 있다고 판단되고 물성 또한 확보되었다고 판단하여 해당 소재에 대한 연구가 추가적으로 필요할 것으로 사료된다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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