초록 ▼

○ 연구개요
본 연구에서는 복합재료 내부의 CT영상(컴퓨터 단층촬영)을 통해 얻은 이미지로 미시역학 구조해석모델을 생성하고 내부에 존재하는 탄소섬유 및 계면의 재료 물성치를 역해석기법을 이용해 통계적으로 도출한다. 이 물성치 및 미시역학 모델을 이용하여 보다 정확한 복합재료 미시역학 구조해석기반을 마련하고 결함을 갖는 복합재료의 구조해석에 적용 및 시험결과와 비교하여 제안된 방법론을 검증하는 것을 목표로 한다.

○ 연구 목표대비 연구결과
1) CT영상 기반 미시역학모델 생성기술개발
CT image를 기반

○ 연구개요
본 연구에서는 복합재료 내부의 CT영상(컴퓨터 단층촬영)을 통해 얻은 이미지로 미시역학 구조해석모델을 생성하고 내부에 존재하는 탄소섬유 및 계면의 재료 물성치를 역해석기법을 이용해 통계적으로 도출한다. 이 물성치 및 미시역학 모델을 이용하여 보다 정확한 복합재료 미시역학 구조해석기반을 마련하고 결함을 갖는 복합재료의 구조해석에 적용 및 시험결과와 비교하여 제안된 방법론을 검증하는 것을 목표로 한다.

○ 연구 목표대비 연구결과
1) CT영상 기반 미시역학모델 생성기술개발
CT image를 기반으로 실제 미시구조를 갖는 복합재료 유한요소 모델을 생성하는 프로그램 간 소스코드를 생성하였고, 이를 이용하여 유한요소 모델을 생성하였다. 소스코드는 MATLAB 환경에서 이미지 2진화 및 level set method와 trimmed mesh 기법으로적용하고 Hypermesh를 이용하여 2차원 유한요소 모델 및 surface를 생성한다. 그리고 CATIA를 통해 여러 장의 2차원 surface를 연결하여 3D CAD 모델을 구성하고, 다시 Hypermesh를 실제 미시구조를 갖는 3차원 유한요소 모델을 생성한다. 이러한 유한요소 모델의 해석을 위해 trimming method를 통하여 원통형에서 육면체형 유한요소 모델을 구성하였다. 유한요소 모델 속 섬유들이 가정과 달리 어느 정도의 각도로 휘어져 있는 현상을 kinked direction과 degree로 확인하였다.

2) 역해석을 통한 섬유 및 계면물성 도출기술 개발
본 연구에서는 실제 미시구조가 고려된 복합재 유한요소 모델링 기법을 개발하였고, 파손거동의 변동성 연구를 하였다. In-situ 소형 굽힘시험기의 개발 및 적합성 검증을 수행하고 M55J/M18 단방향 탄소섬유 강화 복합재료의 시편을 제작하여, 이 시편의 In-situ 3점 굽힘시험을 수행하였다. 굽힘시험 수행 중 복합재료 시편의 파손거동을 관찰하기 위하여 현미경을 이용한 영상촬영을 수행하였다. 이렇게 촬영한 영상을 기반으로 2진화 처리, watershed algorithm, level set method, trimmed mesh technique을 이용하여 실제 섬유배치가 고려된 유한요소 모델을 생성하였다. 또한 유한요소 모델 속 섬유와 기지 사이에 계면층을 도입하고 시험결과와 동일한 해석결과의 파손거동을 보이는 계면의 물성을 찾았고, 대칭축이 편향된 경우의 영향을 확인하였다.

3) 응용사례 구축 및 방법론 검증
전체 실제 미시구조를 갖는 원통형의 유한요소 모델로부터 육면체 유한요소 모델을 생성하였다. M55J/M18 복합재료의 인장시험을 수행하고, 파손 모드를 확인하였다. 그리고 실제 미시구조를 갖는 유한요소 모델을 이용하여 인장 강도 예측을 수행하였고, 실제 시험과 동일한 예측결과를 보임을 확인하였다.

○ 연구개발결과의 중요성
복합재료를 구성하는 섬유, 기지 및 계면의 물성은 복합재료의 기계적인 거동을 좌우한다. 하지만, 섬유 및 계면은 너무 작아 기계적 물성을 신뢰성 있게 측정하기 매우 어렵다. 또한 복합재료의 미시구조는 형상이 매우 복잡하여 이를 위한 CAD모델이나 유한요소모델로 생성하는 일 또한 매우 어렵고 국내에서는 대부분 외국의 고가 상용코드에 의존하여 관련연구를 진행하고 있는 실정이다. 본 연구에서는 CT영상기반 미시역학 유한요소모델을 생성방법을 개발하고 이를 이용해 시험결과로부터 섬유와 계면의 물성치를 통계적으로 역해석(역산)함으로써 신뢰성 있는 물성을 획득하는 연구를 수행함

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 2. 연구수행내용 및 연구결과 ... 7
• 가. (1차년도) CT영상 기반 미시역학모델 생성기술개발 ... 7
• 나. (2차년도) 역해석을 통한 섬유 및 계면물성 도출기술 개발 ... 9
• 다. (3차년도) 응용사례 구축 및 방법론 검증 ... 12
• 3. 연구개발결과의 중요성 ... 13
• 4. 참고문헌 ... 14
• 5. 연구성과 ... 15
• 대표적 연구실적 ... 15
• 끝페이지 ... 30