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3-D 점탄성 모델을 이용한 복합재 성형후 잔류변형해석 및 몰드 효과 연구
Residual Deformation Analysis of Composite by 3-D Viscoelastic Model Considering Mold Effect 원문보기

Composites research = 복합재료, v.34 no.6, 2021년, pp.426 - 433  

이홍준 (Aircraft Structural Design Lab, Department of Aerospace Engineering, Pusan National University) ,  김위대 (Department of Aerospace Engineering, Pusan National University)

초록
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탄소 섬유 강화 복합재료는 오토클레이브 공정 시 발생하는 잔류응력이 발생하고, 스프링 인, 뒤틀림과 같은 열변형으로 인해 치수 결함이 발생한다. 열변형의 주요원인은 제품의 형상, 수지의 화학 수축과 열팽창, 몰드의 재질과 표면 상태에 따른 몰드 효과 등 다양한 요인에 의해 발생한다. 본 연구는 열변형을 예측하기 위해 점탄성 모델 해석 기법을 평판 모델에 적용하여 열변형의 주요 원인인 수지의 화학 수축과 열팽창의 영향을 분석했고, 몰드 유무에 따른 3-D 점탄성 모델의 해석 기법을 검증했다. 검증된 3-D 점탄성 모델의 해석 기법을 이용하여 L-형상의 몰드 효과를 분석한 결과, 동일한 재질의 몰드를 사용했더라도 표면 상태에 따라 잔류 변형이 다르게 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

The carbon fiber reinforced plastic manufacturing process has a problem in that a dimensional error occurs due to thermal deformation such as residual stress, spring-in, and warpage. The main causes of thermal deformation are various, including the shape of the product, the chemical shrinkage, therm...

주제어

#점탄성   #몰드 효과   #잔류 변형   #화학 수축   #열팽창  

표/그림 (20)

AI 본문요약
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제안 방법

  • 본 연구에서는 열잔류응력의 주요 원인인 수지의 열팽창과 화학 수축의 영향을 분석하고, 몰드를 고려한 3-D 점탄성 모델 해석 기법을 검증했다. 또한, 몰드의 재질과 표면 상태에 따른 몰드 효과를 분석하기 위해 검증된 점탄성 모델을 L-형상에 적용하여 잔류 변형을 분석했다.
  • 몰드 효과를 분석하기 위해 몰드의 열팽창계수와 마찰 계수를 다르게 설정하여 12가지 조건으로 해석을 진행했다. 큰 열팽창계수를 가진 재질의 몰드를 사용할수록 스프링 인 증가 폭이 컸으며, 작은 열팽창계수를 가진 재질은 변화 폭이 미미했다.
  • 본 연구에서는 3-D 점탄성 모델 해석 기법을 사용하여 선행연구의 열팽창계수와 마찰계수를 동일하게 설정하여 스프링 인 거동의 차이를 비교했다. 해석 모델은 1 ply당 0.
  • 본 연구에서는 복합재 오토클레이브 성형공정에서 발생하는 열변형의 주요 원인인 수지의 화학 수축, 열팽창, 몰드의 재질과 표면 상태에 따른 몰드 효과의 영향을 분석했다. 평판 해석을 통해 선행연구의 실험값과 비교하여 3-D 점탄성 모델 해석 기법의 타당성을 검증했다.
  • 본 연구에서는 열잔류응력의 주요 원인인 수지의 열팽창과 화학 수축의 영향을 분석하고, 몰드를 고려한 3-D 점탄성 모델 해석 기법을 검증했다. 또한, 몰드의 재질과 표면 상태에 따른 몰드 효과를 분석하기 위해 검증된 점탄성 모델을 L-형상에 적용하여 잔류 변형을 분석했다.
  • 해석 조건을 몰드의 열팽창 계수와 마찰 계수를 달리하여 해석했다. 선행연구를 참고하여 몰드의 열팽창 계수는 Invar(3.0), Steel(12.4), Aluminum(23.6)으로 설정했으며, 마찰계수는 경향성을 확인하기 위해 0, 0.15, 0.5, 0.9로 설정했다.

대상 데이터

  • 선행연구의 해석에서 사용한 복합재료는 본 연구에서 사용한 재료와 동일한 AS4/3501-6이며, 선행연구의 실험에서 사용한 복합재료는 P2352W-19이다. 해석 모델의 형상 정보는 Fig.
  • 88(mm)의 차이가 발생했다. 실험에서 사용된 복합재료는 P2352W-19이며 이는 해석에 사용된 재료인 AS4/3501-6과 다르므로, 결과의 차이가 발생했지만 경향성이 일치했다.
  • 10와 같다. 해석에 사용된 요소 타입은 C3D8I, 요소 개수는 총 89,440개 사용했다.
  • 해석은 AS4/3501-6를 사용했으며, 두께는 1ply당 0.2(mm), [0°/90°]s로 설정했다

데이터처리

  • 본 연구에서는 복합재 오토클레이브 성형공정에서 발생하는 열변형의 주요 원인인 수지의 화학 수축, 열팽창, 몰드의 재질과 표면 상태에 따른 몰드 효과의 영향을 분석했다. 평판 해석을 통해 선행연구의 실험값과 비교하여 3-D 점탄성 모델 해석 기법의 타당성을 검증했다. 수지의 화학 수축은 최종잔류응력의 74.

이론/모형

  • 본 연구에서는 상용구조해석 프로그램인 ABAQUS를 사용하였으며, ABAQUS는 시간 및 온도에 따라 물성치가 변화하는 해석을 지원하지 않는다. 따라서 본 연구에서는 ABAQUS에서 지원하는 User Subroutine을 사용했다.
  • 본 연구에서는 몰드 효과 설정을 위해 열팽창계수와 마찰계수를 ABAQUS에 직접 설정하여 해석을 진행했다.
  • 본 연구에서는 상용구조해석 프로그램인 ABAQUS를 사용하였으며, ABAQUS는 시간 및 온도에 따라 물성치가 변화하는 해석을 지원하지 않는다. 따라서 본 연구에서는 ABAQUS에서 지원하는 User Subroutine을 사용했다.
  • 서브루틴 검증을 위해 위의 이론 식 (1)-(19)를 적용한 3-D 점탄성 모델의 열팽창과 화학 수축의 영향을 각각 분석했다. 해석은 AS4/3501-6를 사용했으며, 두께는 1ply당 0.
  • 점탄성 서브루틴을 적용한 3-D 모델은 점탄성 기법을 사용한 White S. R.
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참고문헌 (11)

  1. Kim, Y.S., and Kim, W.D., "Prediction of Spring-in Deformation of carbon Fiber Reinforced Composite by Thermal Residual Stress", Journal of the Korean Society for Composite Materials, Vol. 30, No. 6, 2017, pp. 410-415. 

  2. Choi, E.S., and Kim, W.D., "Thermal Deformation of Carbon Fiber Reinforced Composite by Cure Shrinkage," Journal of the Korean Society for Composite Materials, Vol. 31, No. 6, 2018, pp. 404-411. 

  3. Sung, S.H., and Kim, W.D., "Prediction of Deformation of Carbon-fiber Reinforced Polymer Matrix Composite for Tool Materials and Surface Conditions," Journal of Composite Materials, Vol. 27, No. 6, 2014, pp. 231-235. 

  4. Zhang, G., Wang, J., Ni, A., Hu, H., Ding, A., and Li, S., "Process-induced Deformation of L-shaped Variable-stiffness Composite Structures During Cure", Composite Structures, Vol. 230, 2019, 111461. 

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  5. White, S.R., and Kim, Y.K., "Process-Induced Residual Stress Analysis of AS4/3501-6 Composite Material," Mechanics of Composite Materials and Structures, Vol. 5, No. 2, 1998, pp. 153-186. 

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  6. Kim, Y.K., and White, S.R., "Stress Relaxation Behavior of 3501-6 Epoxy Resin During Cure", Polymer Engineering & Science, Vol. 36, No. 23, 1996, pp. 2852-2862. 

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  7. Kim, Y.K., and White, S.R., "Process-induced Stress Relaxation Analysis of AS4/3501-6 Laminate," Journal of Reinforced Plastics and Composites, Vol. 16, No. 1, 1997, pp. 2-16. 

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  8. White, S.R., and Hahn, T.H., "Process Modeling of Composite Materials: Residual Stress Development during Cure. Part II. Experimental Validation," Journal of Composite Materials, Vol. 26, No. 16, 1992, pp. 2423-2453. 

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  9. Jung, S.R., Kim, W.D., and Jim, J.H., "Analysis of Thermal Deformation of Carbon-fiber Reinforced Polymer Matrix Composite Considering Viscoelasticity," Journal of the Korean Society for Composite Materials, Vol. 27, No. 4, 2014, pp. 174-181. 

  10. Seong, D.Y., and Kim, W.D., "Thermal Deformation Analysis of L-shaped Composite During Cure Process by Viscoelastic Model," Journal of the Korean Society for Composite Materials, Vol. 33, No. 4, 2020, pp. 220-227. 

  11. Hubert, P., Johnston, A., Poursartip, A., and Nelson, K., "Cure Kinetics and Viscosity Models for Hexcel 8552 Epoxy Resin," International SAMPE Symposium and Exhibition, SAMPE 1999, pp. 2341-2354. 

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