초록 ▼

항공기 및 우주구조물에서 경량화와 비강성, 비강도 등의 요구에의해 고성능 복합재가 널리 사용되고 있다. 그러나 복합재료의 이방성과 비균질성 때문에등방성 금속재료에서 사용되었던 구조 해석 방법은 그대로 두꺼운 복합재 적층 구조물에 적용하기에는 한계가 있다.복합재 구조물의 신뢰성있는 응력해석을 수행하기 위해서는 엄밀한 이론이 요구된다고하겠다. 그러나 복합재적층구조물의 유한요소 모델링을 삼차원탄성체로 가정하면 방대한컴퓨터 자원과 연산시간이 요구되므로 설계단계에서는 바람직하지 못하다.이런 관점에서 본 연구자에 의해 지그재그

항공기 및 우주구조물에서 경량화와 비강성, 비강도 등의 요구에의해 고성능 복합재가 널리 사용되고 있다. 그러나 복합재료의 이방성과 비균질성 때문에등방성 금속재료에서 사용되었던 구조 해석 방법은 그대로 두꺼운 복합재 적층 구조물에 적용하기에는 한계가 있다.복합재 구조물의 신뢰성있는 응력해석을 수행하기 위해서는 엄밀한 이론이 요구된다고하겠다. 그러나 복합재적층구조물의 유한요소 모델링을 삼차원탄성체로 가정하면 방대한컴퓨터 자원과 연산시간이 요구되므로 설계단계에서는 바람직하지 못하다.이런 관점에서 본 연구자에 의해 지그재그 고차이론(단순화된 고차이론)이 복합재적층평판구조물과 복합적층쉘 구조물을 해석하기 위한 방법으로 이전에 개발되었었다. 그러나유한요소 개발시 처짐에 대한 기울기의 연속조건을 만족시켜야 할 뿐 아니라 요소강성행렬구성시 많은 연산시간을 소비하게되는 단점이 있다. 본 연구에서는 이러한 단점을 회피하고 정확한 층간응력 및 면내응력을 손쉽게 복원하는 후처리기법을 확립하였다. 이 기법은간단한 일차전단변형이론으로부터 변위들을 구한 후 전단변형에너지 등가 가정에 의해 지그재그고차이론의 변위장을 복원하는 방법으로 구성되어 있다. 본 연구에서는 후처리기법을다양한 적층 배열에 적용할 수 있도록 확장하였으며 두꺼운 적층 쉘 구조물에도 적용할 수있도록 쉘 유한요소 안에서 구현하였다. 또한 강도해석시 적용하기 위해서 현상학적인 여러 가지 거시적인 파손기준을 사용하여 초기층 파손해석을 수행하여 실제 삼차원탄성해에기초한 파손결과와 비교하여 후처리기법의 효율와 정확성을 검증하였다.한편 자유단이 존재하는 복합재료구조물은 등방성 구조물과는 달리 하중하에서 자유단에서 층간 분리를 야기시킬 수 있는 매우 큰 응력 집중/특이를 갖게 된다. 본 연구에서는자유단이 존재하는 경우에 효율적이면서도 정확히 층간응력을 해석할 수 있는 해석 기법도마련하고자 하였다. 최소보족에너지 원리에 적용되는 응력함수의 근사를 위해서 확장된 칸토로비치방법이 적용되었다. 이 방법은 면내 응력함수와 두께 방향의 응력 가정함수를 축차적으로 수정에 의해 개선함으로써 층간 변위연속조건이 개선된다. 몇 차례의 반복을 거쳐 이 방법은 수렴해를 제공함을 알 수 있으며 수치예를 통하여 검증하였다.실제적으로 본 연구에서 개발된 두 가지 해석 기법은 항공기 및 여러 가지 두꺼운 적층복합재구조물의 설계시 효율적인 해석 도구로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

Abstract ▼

Adanced composite materials are frequently used in aircraftstructures and space structures due to their requirements for light weight, high specificstiffness, and strength. The 3-dimensional solid modeling for laminated compositesrequires enormous computer resources and computing times. Th

Adanced composite materials are frequently used in aircraftstructures and space structures due to their requirements for light weight, high specificstiffness, and strength. The 3-dimensional solid modeling for laminated compositesrequires enormous computer resources and computing times. The efficient and accurateanalysis method is still required to perform the reliable stress and strength analysis.In the above point of view, the present researcher have developed the zig-zaghigher order theory applicable to laminated plates and shells, which provides accurateand efficient stress and deformation predictions. However, this theory has undesirableC1(slope continuity) requirement and requires considerable amount of time inconstructing element stiffness matices in finite element implementations. To circumventthis drawback, a postprocess method has been developed. The present postprocessmethod utilizes only simple first order shear deformation theory. By assumingtransverse shear strain energy equivalence between first order thoery and that of higherorder theory the displacement fields of higher order theory can be reconstructed by thefirst order primary variables. In the present study this postprocess method is extendedto be applied to the various layup configurations in laminated plates. In addition, thismethodology is implemented in the framework of shell finite element. To demonstratethe validity of the proposed method in the practical applications, the first-ply failureanalysis of multilayered composite plates has been carried out and compared to the 3dimensional elasticity solutions.The other contribution of the present work is for free-edge interlaminar stressanalysis. Laminated composites experience rapidly growing interlaminar stresses nearthe free edges. Interlaminar stress analysis is very important in the presence of thefree edges. In the present study, the extended Kantorovich method was applied toimprove admissible stress functions. Through the iteration process, the free-edge stressboundary conditions, interface stress continuity conditions can be satisfied in the exactmanner. Through the few time of iterations, the convergent solutions have beenobtained. The extended Kantorovich approach is an efficient method since itscomputational time is small and solutions are highly accruate.Practically, this two method should serve a powerful and efficient analysis tools forthe prediction of interlaminar stresses of multilayered composite structures.

목차 Contents

• I. 서론...7
• II. 연구방법 및 이론...9
• III. 고찰...33
• IV. 결론...34
• V. 참고문헌...34
• 연구수행관련 논문발표 목록서...37
• 자체평가서...38