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목차
기호 목록 15
제1장 서론 18
1.1. 연구 배경 18
1.2. 문헌 조사 20
1.3. 연구 목적 및 범위 23
제2장 이론 24
2.1. 적층판 이론 24
2.2. 파손 이론 27
2.2.1. Lee-Roh 이론 30
2.2.2. 최대 응력 이론 35
2.2.3. 최대 변형률 이론 35
2.2.4. Tsai-Wu 파손 이론 35
2.3. 비선형 유한요소 해석 37
2.3.1. Arc-length 방법 37
2.3.2. 3차원 응축 쉘 유한요소 40
2.3.3. 비선형 유한요소식 45
제3장 기계적 물성 시험 50
3.1. 기본 물성 시험 50
3.2. 굽힘 시험 59
제4장 수치 해석 62
4.1. 파손 모드에 따른 적층판의 강성저하 62
4.2. 단위길이 적층판에 대한 수치해석 64
4.3. 비선형 유한요소 해석 프로그램 검증 69
4.4. 비선형 유한요소 해석 71
제5장 수치 해석 결과 75
5.1. 단위 길이 적층판에 대한 수치해석 결과 75
5.2. 3점 및 4점 굽힘 시험 78
5.3. 양단 고정지지 경계 조건 91
5.4. Sliding-Rigid 경계조건 96
5.5. 유한요소 해석 결과 비교 102
제6장 결론 106
참고문헌 108
SUMMARY 114
그림 2.1. 복합재료 적층판의 좌표계 및 하중 조건 26
그림 2.2. 복합재료 파손 이론 별 사용 빈도 28
그림 2.3. 복합재 파손 예측을 위한 다양한 파손 이론 비교 29
그림 2.4. 단방향 복합재료 적층판의 파손 예측 33
그림 2.5. 다방향 복합재료 적층판 파손 예측 33
그림 2.6. 다축 하중을 받는 복합재료 적층판의 응력-변형률 선도 예측 34
그림 2.7. 단축 하중을 받는 복합재료 적층판의 응력-변형률 선도 예측 34
그림 2.8. Arc-length 방법의 개념 39
그림 2.9. 3차원 응축 쉘 요소 44
그림 2.10. 직교 좌표계에서 물체의 운동 46
그림 3.1. 탄소 및 유리 섬유 복합재료 경화 사이클 50
그림 3.2. 0도 인장 시험 및 시험 결과 52
그림 3.3. 90도 인장 시험 및 시험 결과 53
그림 3.4. ±45도 전단 시험 및 시험 결과 54
그림 3.5. Ramberg-Osgood 응력-변형률 선도 57
그림 3.6. Ramberg-Osgood 변수를 이용한 전단-응력 변형률 선도 57
그림 3.7. 점진적 파손 해석에 따른 응력-변형률 선도 58
그림 3.8. 단순 지지 굽힘 시험 60
그림 3.9. 양단 고정 지지 굽힘 시험 개략도 61
그림 3.10. 양단 고정 및 Sliding-rigid 굽힘 시험 61
그림 4.1. 적층판 내의 가로방향 파손 모드 63
그림 4.2. 횡 방향 파손 모드에 따른 응력-변형률 관계 63
그림 4.3. 단일 굽힘 하중을 받는 복합재료 적층판 67
그림 4.4. 굽힘하중에 따른 복합재료 적층판 파손 위치 67
그림 4.5. 점진적 파손 해석 흐름도 68
그림 4.6. 원통형 쉘 구조물의 형상 및 하중 조건 70
그림 4.7. 분포하중을 받는 원통형 쉘 구조물의 처짐 비교 70
그림 4.8. 적층판 유한요소 해석 모델링 71
그림 4.9. 적층판 하중 및 경계 조건 72
그림 4.10. 파손에 따른 강성 저하 방법 73
그림 4.11. 파손 이론에 따른 파라미터 입력(MSC Patran/Nastran) 74
그림 5.1. 준등방성 적층 패턴에 대한 하중-변형률 선도 76
그림 5.2. 크로스 플라이 적층 패턴에 대한 하중-변형률 선도 76
그림 5.3. 3점 굽힘 시험 해석 결과 (준등방성 적층판, LCU250NS) 80
그림 5.4. 3점 굽힘 시험 해석 결과 (크로스플라이 적층판LCU250NS) 81
그림 5.5. 4점 굽힘 시험 해석 결과(준등방성 적층판, LCU250 NS) 82
그림 5.6. 4점 굽힘 시험 해석 결과(크로스플라이 적층판, LCU250 NS) 83
그림 5.7. 3점 굽힘 시험 해석 결과(준등방성 적층판, HG181) 87
그림 5.8. 3점 굽힘 시험 해석 결과(크로스플라이 적층판, HG181) 11
그림 5.9. 4점 굽힘 시험 해석 결과(준등방성 적층판, HG181) 88
그림 5.10. 4점 굽힘 시험 해석 결과(크로스플라이 적층판, HG181) 89
그림 5.11. 고정지지 조건 해석 결과 (준등방성 적층판, LCU250NS) 92
그림 5.12. 고정지지 조건 해석 결과(크로스플라이 적층판, LCU 250NS) 93
그림 5.13. 고정지지 조건 해석 결과(준등방성 적층판, HG 181) 94
그림 5.14. 고정지지 조건 해석 결과(크로스플라이 적층판, HG 181) 95
그림 5.15. Sliding-Rigid 조건 해석 결과 (준등방성 적층판, LCU 250NS) 97
그림 5.16. Sliding-Rigid 조건 해석 결과 (크로스플라이 적층판, LCU 250NS) 98
그림 5.17. Sliding-Rigid 조건 해석 결과 (준등방성 적층판, HG181) 99
그림 5.18. Sliding-Rigid 조건 해석 결과 (크로스플라이 적층판, HG181) 100
그림 5.19. 3점 굽힘 시험 조건에 따른 최대 하중 비교 103
그림 5.20. 4점 굽힘 시험 조건에 따른 최대 하중 비교 104
그림 5.21. Sliding-rigid 조건에 따른 최대 굽힘 하중 비교 105
초록보기
섬유 강화 복합재료는 금속 재료에 비해 비강성 및 비강도가 우수하여 항공우주 및 자동차의 구조물에 많이 사용되고 있다. 복합재료는 섬유의 적층 배열을 달리하여 설계 요구 조건에 맞도록 구조물 제작이 가능하다. 복합재료 구조 안정성을 위해서는 설계 단계에서 고려된 적층 배열, 하중 조건에 따라 구조물의 파손을 정확하게 예측할 수 있는 파손 기준이 적용되어야 한다.
복합재료 구조물의 파손을 정확하게 예측하기 위하여 다양한 이론적 접근, 방법론 그리고 가정 등을 통하여 많은 파손 이론들이 개발되고 연구되었다. 이러한 파손 이론들의 신뢰성은 하중 조건, 적층 배열, 그리고 재료에 따라 파손을 예측을 정확하게 예측할 수 있는 능력에 따라 좌우된다. 복합재료가 사용되는 대부분의 구조물은 면내(in-plane) 하중 뿐 만 아니라 면외(out-of-plane) 하중도 받게 된다. 하중조건에 따라 복합재료 적층판의 기계적 특성이 다르게 나타나는 것을 고려하면, 면내 하중 조건에서 파손을 정확하게 예측하더라도 면외 하중 조건에서는 예측의 정확성이 떨어질 수 있다. 복합재료 적층판의 파손 예측 연구는 주로 면내 하중 조건에서 이루어져왔으며 각 파손 이론 간의 비교 연구도 많이 수행되었다. 하지만, 굽힘과 같은 면외 하중에 대한 파손 예측 연구는 상대적으로 드물게 진행이 되었으며 대부분 특정한 적층에 대해 수행되거나 first-ply 파손 개념에서 연구가 수행되었으며, 시험 결과와 직접적인 비교 연구는 거의 진행되지 않고 있다.
본 연구에서는 Lee-Roh 파손 이론을 적용하여 개발된 In-house 유한요소 해석 프로그램을 통해 굽힘 하중을 받는 복합재료 적층판의 파손 해석을 수행하고 굽힘 시험을 통한 시험 결과와 비교하였다. Lee-Roh 이론은 다축 면내 하중을 받는 다방향 복합재료의 파손을 상대적으로 정확하게 예측하는 것으로 알려져 있다. Lee-Roh 이론을 적용하여 복합재료 적층판의 각 층에 대하여 파손 해석 및 파손 모드에 따라 강성을 저하시킬 수 있는 점진적 파손 해석 알고리즘을 구성하였다. 일방향 탄소 섬유 및 직조형 유리 섬유를 이용하여 준등방성 및 크로스 플라이 적층패턴을 가지는 복합재료 적층판을 제작하고 굽힘 시험을 수행하였다. 단순 지지 조건에 대하여 3점 및 4점 굽힘 시험을 수행하고, 양단 고정 지지 그리고 양단 Sliding-rigid 조건을 적용한 3점 굽힘 시험을 수행하고 In-house 유한요소해석 프로그램의 결과와 비교하였다. 상용유한요소해석 프로그램인 MSC. Nastran과 Abaqus를 이용하여 복합재료 파손 예측에 주로 사용되는 최대 응력 이론, 최대 변형률 이론, 그리고 Tsai-Wu 이론을 적용하여 점진적 파손 해석을 수행하고 시험 결과와 비교하였다. In-house 유한요소해석 프로그램은 적층 패턴, 하중 조건, 그리고 재료의 종류와 상관없이 시험 결과를 잘 예측하였지만 상용 유한요소해석 프로그램은 적층 패턴, 하중 조건, 그리고 재료의 종류에 따라 시험 결과 예측의 정확성이 떨어지는 경향을 보여주었다.
본 연구를 통해 Lee-Roh 이론의 기존의 파손 이론에 비해 상대적으로 파손 예측 능력이 높은 것을 확인하였으며, 상용 유한요소해석 프로그램과 비교를 통해 Lee-Roh 이론을 적용하여 개발한 In-house 유한요소 해석 프로그램이 상대적으로 파손 해석 능력이 우수함을 확인하였다.MARC 보기
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