초록 ▼

본 과제에서는 다층구조물의 충격파손기구를 규명하고 생체재료의 구조적 특성을 모방하여 다층구조물의 신뢰성 향상의 목적을 실현하기 위하여 이론연구, 실험 및 수치해석 등 해석수단을 결합하여 체계적인 연구를 진행하였으며 여러 가지 우수한 연구 성과를 이룩하였다.
우선 여러 가지 생체재료를 구입하여 충격실험을 진행하고 실험결과에 대한 고찰로부터 생체 다층구조물의 우수한 충격강도 특성을 확인하였다. 그리고 평행방정식과 포텐셜함수를 사용하여 2차원과 3차원에서 생체재료의 유효탄성계수(effective modulus)를 계산하는 방법을 제

본 과제에서는 다층구조물의 충격파손기구를 규명하고 생체재료의 구조적 특성을 모방하여 다층구조물의 신뢰성 향상의 목적을 실현하기 위하여 이론연구, 실험 및 수치해석 등 해석수단을 결합하여 체계적인 연구를 진행하였으며 여러 가지 우수한 연구 성과를 이룩하였다.
우선 여러 가지 생체재료를 구입하여 충격실험을 진행하고 실험결과에 대한 고찰로부터 생체 다층구조물의 우수한 충격강도 특성을 확인하였다. 그리고 평행방정식과 포텐셜함수를 사용하여 2차원과 3차원에서 생체재료의 유효탄성계수(effective modulus)를 계산하는 방법을 제안하였는데 이는 특정 경계조건 아래에서 복합재료의 포텐셜과 단일재료로 보았을 때의 포텐셜을 같다고 하여 해당되는 유효탄성계수를 구하는 방법이다. 나아가서 충격에 대한 유한요소 시뮬레이션에 유효탄성계수를 적용하여 생체재료를 모방한 다층구조물에 대한 저속충격 실험을 모사하였으며 해석 결과로부터 생체모방 다층구조물의 구조적 우수성을 확인 할 수 있었다.
다음으로 재료의 파손과 밀접한 연관이 있는 여러 가지 균열에 의한 파괴문제를 이론적인 측면에서 해석하였다. 구체적인 내용으로는 이방성 이종재료(anisotropic bimaterial)의 킹크계면균열(kinked interfacial crack), 직교이방성재료(orthotropic material)의 경사모서리균열(oblique edge crack)과 킹크균열(kinked crack), 이방성이종 쐐기(anisotropic bimaterial wedge), 직교이방성 샌드위치 구조의 터널링 균열(tunneling crack) 등이 있다. 그 연구결과와 해석방법에 대하여 간단히 설명하면 다음과 같다
면외변형(antiplane deformation)에 대한 이방성 이종재료 킹크계면균열의 점근적 문제를 해석하였다. 수평한 계면을 가진 이방성 이종재료의 문제를 해결하기 위하여 선형변형방법(linear transformation method)을 제안하였으며, 이 방법을 사용하여 응력확대계수(stress intensity factor)를 구하였다. 수치해석을 통하여 응력확대계수의 재료상수(material parameter)와 굴절각(kink angle)에 대한 의존성을 분석 하였다. 또한 선형변형방법으로 구한 응력확대계수에 대한 검증으로 유한요소해석을 수행하였다.
면외 하중하의 주축이 경사진 직교이방성재료의 경사모서리균열과 킹크균열을 분석하였다. 다수의 특성근(characteristic root)을 갖는 디제너레이트(degenerate) 직교이방성재료의 기존 풀잇법을 대체하기 위해 새로운 복소함수를 도입하여 Stroh 포말리즘을 수정하였다. 이 수정된 Stroh 포말리즘과 직교이방성 리스케일링 기술을 사용하여 원 문제를 입방대칭(cubic symmetry)재료에 대한 풀이로 변환시켜 계산을 간소화 시켰으며 모서리균열과 킹크균열에 대한 응력확대계수를 도출하였다. 또한 입방대칭재료에 대한 응력확대계수를 유한요소해석을 통해 검증하였고, 직교이방성 재료의 킹크균열에 대한 에너지해방률(energy release rate)을 구하였다.
면외변형상태의 이방성이종 쐐기(wedge)에 대해 연구하였다. 변형된 등방성 이종 쐐기에 대한 문제를 먼저 해결하고 그 결과와 선형변형방법을 통해 이방성 쐐기에 대한 문제를 해결하였다. 복합쐐기(composite wedge)에 대한 응력확대계수를 구하였고, 수치계산을 통해 세 가지 종류의 쐐기형태에 대한 응력 특이성(stress singularity)과 응력확대계수를 구하였다.
정상상태(steady state) 조건에서 직교이방성 평판과 접하고 있는 직교이방성 부착층(adhesive layer)내의 터널링 균열(tunneling crack)에 대한 문제를 연구하였다. 수정된 Stroh 포말리즘과 직교이방성 리스케일링 기술을 통하여 원 문제를 직교이방성 부착층과 등방성 평판으로 이루어진 샌드위치 구조에서의 문제로 변환시켰으며 균열 선단에서의 에너지해방률을 구할 수 있었다. 이러한 결과를 유한요소해석을 통해 검증하였으며, 에너지해방률에 대한 균열간격의 영향을 알아보기 위하여 주기적 터널링 균열에 대해서도 연구를 진행하였다.
또한 다층구조물 충격해석에 강력한 MPM 수치해석프로그램 개발하였는데 이는 FEM과 달리 메시가 존재하지 않게 되며 메시 왜곡 문제도 자연적으로 해결됨으로써 해석의 정확도를 높일 수 있을 것으로 기대된다. 따라서 충격과 같은 재료의 대변형 거동을 해석함에 적합한 방법으로서 충격에 대한 해석에 큰 도움을 줄 수 있을 것이다.

목차 Contents

• 일반연구자지원사업 최종(결과)보고서 ... 1
• 목 차 ... 3
• Ⅰ. 연구결과 요약문 ... 4
• Ⅱ. 연구내용 및 결과 ... 5
• 1. 연구과제의 개요 ... 5
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 5
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 6
• 4. 목표 달성도 및 관련 분야에의 기여도 ... 7
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 7
• 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 7
• 참고문헌 ... 8
• Ⅲ. 연구성과 ... 9