[논문]인장하중을 받는 복합재료 도브테일 요소의 점진적인 파손해석

박신무; 노홍균; 임재혁; 최윤혁

doi:10.7234/composres.2021.34.6.337

인장하중을 받는 복합재료 도브테일 요소의 점진적인 파손해석
Numerical Investigation of the Progressive Failure Behavior of the Composite Dovetail Specimens under a Tensile Load 원문보기

Composites research = 복합재료, v.34 no.6, 2021년, pp.337 - 344

박신무 (Space Pioneer Program Office, Korea Aerospace Research Institute) , 노홍균 (Division of Mechanical Engineering, Jeonbuk National University) , 임재혁 (Division of Mechanical Engineering, Jeonbuk National University) , 최윤혁 (Engine Structure Design Team, Hanwha Aerospace R&D Center)

초록
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본 연구에서는 복합재료 팬 블레이드 도브테일 요소의 인장하중에 따른 점진적 파손거동을 유한요소 시뮬레이션을 통한 수치적 연구를 수행하고, 인장시험을 통하여 정확도를 검증한다. 도브테일 요소는 터보 팬 엔진의 팬 블레이드를 디스크와 결합시키는 조인트의 하나로, 통상 티타늄 등의 금속 재료로 제작되나 경량화 등의 이유로 복합재료의 적용이 연구되고 있다. 하지만 복합재료를 이용한 팬 블레이드 제조과정에서 드롭오프 플라이(Drop-off ply), 수지 포켓(resin pocket) 등의 제조 결함이 필연적으로 발생한다. 이러한 제조 결함이 복합재료 팬 블레이드 도브테일 요소에 미치는 영향을 확인하기 위해 유한요소모델을 이용한 수치해석을 수행하여 예측 결과와 인장시험 결과를 비교 분석한다. 이때 층간분리(delamination) 거동을 모사 가능한 응집영역 모델을 적용하였다. 결론적으로, 열 잔류응력 및 두께방향 압축하중에 의한 계면 물성 강화 효과를 고려하여 유한요소 해석결과와 시험결과 간의 높은 상사성을 얻을 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the progressive failure behavior of the composite fan blade dovetail element under tensile loading is numerically investigated through finite element(FE) simulation. The accuracy of prediction by FE simulation is verified through tensile testing. The dovetail element is one of the joints for coupling the fan blade with the disk in a turbofan engine. The dovetail element is usually made of a metal material such as titanium, but the application of composite material is being studied for weight reduction reasons. However, manufacturing defects such as drop-off ply and resin pocket inevitably occur in realizing complex shapes of the fan blade made by composite materials. To investigate the effect of these manufacturing defects on the composite fan blade dovetail element, we performed numerical simulation with FE model to compare the prediction of the FE model and the tensile test results. At this time, the cohesive zone model is used to simulate the delamination behavior. Finally, we found that FE simulation results agree with test results when considering thermal residual stress and through-thickness compression enhancement effect.

주제어

표/그림 (18)

그림 Fig. 1. Configuration of composite fan blade having dovetail joint element
그림 Fig. 2. Configuration of composite dovetail element specimen
그림 Fig. 3. Stacking sequence of the dovetail element specimen
그림 Fig. 4. Manufacturing defects of composite laminate structure: drop-off plies and triangular resin pockets
그림 Fig. 5. Configuration of experimental set-up
그림 Fig. 6. Failure behavior of dovetail element: (a) before, (b, c) after tensile test
그림 Fig. 7. Finite element model of composite dovetails
표 Table 1. Material properties of IM7/8552 CFRP lamina [10,13]
표 Table 2. Material properties of 8552 resin pocket [10]
그림 Fig. 8. Traction-separation curve of a cohesive element (i: MODE I, II, III)
그림 Fig. 9. Configuration of TTC stress acting area (unit: MPa)
표 Table 3. Interface properties of IM7/8552 laminate [10]
그림 Fig. 10. FE model of the dovetail element specimen under a tensile load
그림 Fig. 11. Comparison of force-displacement (gauge length) curve in tensile test and FE analysis
그림 Fig. 12. Configuration of thermal residual stress acting area caused by cooling down process (unit: MPa)
표 Table 4. FE analysis and tensile test results according to load cases
그림 Fig. 13. Results of progressive damage increase from FE analysis of Case 2(TRS)
그림 Fig. 14. Comparison of the failure behavior: (a) Case 2(TRS), (b) Case 3(TRS+TTC), (c) Test-1

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