angel of CFRP
Absorbed energy
Ea [J]
Total absorbed energy
EL [J]
Mean load
Pm [kN]
Maximum collapse load
Pmax [kN]
15°
611.52J 757.53 1026.67 9.27 13.08 529.20J 667.40 963.88 9.05 16.07 419.44J 477.33 766.29 7.01 14.53 45°
611.52J 709.49 906.10 7.69 11.65 529.20J 596.54 900.56 8.27 13.85
419.44J 404.45 706.20 5.96 7.97
90°
611.52J 541.92 583.85 3.63 11.70 529.20J 489.84 549.04 3.85 10.67
419.44J 401.05 553.61 4.75 9.55
15 45 90
0 200 400 600 800 1000 1200
Total Absorbed Energy [ J ]
Fiber orientation angle of CFRP
419.44J 529.20J 611.52J
Fig. 60 Relationship between fiber orientation angle of CFRP and Total absorbed energy for CFRP Circular member according to Impact velocity
Table 4 Collapse test results for Square members according to fiber orientation angles and impact velocity
Fiber orientation angel of CFRP
Absorbed energy
Ea [J]
Total absorbed energy
EL [J]
Mean load
Pm [kN]
Maximum collapse load
Pmax [kN]
15°
372.4J 321.91 417.95 3.50 9.92
274.4J 241.95 407.16 3.15 7.85
223.4J 215.85 382.95 3.37 8.12
45°
372.4J 312.14 348.55 3.31 7.77
274.4J 223.94 339.64 3.18 7.25
223.4J 203.84 301.96 3.09 8.91
90°
372.4J 309.50 324.23 3.19 8.11
274.4J 217.64 311.27 3.10 9.94
223.4J 194.91 279.90 3.02 8.21
15 45 90
0 100 200 300 400 500 600
Tota l Absorbed Energy [J]
Fiber orientation angle of CFRP
223.44J 274.40J 372.40J
Fig. 61 Relationship between fiber orientation angle of CFRP and Total absorbed energy for CFRP Square member according to Impact velocity
Table 5 Collapse test results for Circular members according to interface numbers and impact velocity (Outer layer 0°)
Interface number of CFRP
Absorbed energy
Ea [J]
Total absorbed energy
EL [J]
Mean load
Pm [kN]
Maximum collapse load
Pmax [kN]
2I
611.52J 568.61 680.43 7.8 14.23
529.20J 500.82 1048.12 6.45 14.21
419.44J 385.66 1058.6 4.34 9.98
4I
611.52J 583.99 1331.99 8.85 16.38 529.20J 504.74 1382.12 8.99 15.43 419.44J 400.43 1398.54 8.94 14.57 6I
611.52J 576.25 975.09 7.79 12.74 529.20J 499.13 1038.22 7.13 11.51 419.44J 399.74 1080.5 6.53 11.01
2 4 6
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
To ta l Absorbed Energy [J]
Interface Number [I]
223.4J 274.4J 372.4J
Fig. 62 Relationship between interface number of CFRP and Total absorbed energy for CFRP Circular member according to Impact velocity
(Outer layer 0°)
Table 6 Collapse test results for Circular members according to interface numbers and impact velocity (Outer layer 90°)
Interface number of CFRP
Absorbed energy
Ea [J]
Total absorbed energy
EL [J]
Mean load
Pm [kN]
Maximum collapse load
Pmax [kN]
2I
372.4J 585.41 1762.48 10.56 18.97 274.4J 511.19 1796.51 11.29 17.49 223.4J 407.71 1800.95 12.42 19.15 4I
372.4J 578.17 1078.72 8.67 15.12
274.4J 503.79 1094 7.17 12.12
223.4J 399.88 1293.37 6.99 12.13 6I
372.4J 586.79 1695.01 12.53 19.38 274.4J 513.04 1729.5 11.71 17.17 223.4J 403.84 1815.96 10.46 17.45
2 4 6
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
Total Absorbed Energy [J]
Interface Number [I]
419.4J 529.2J 611.5J
Fig. 63 Relationship between interface number of CFRP and Total absorbed energy for CFRP Circular member according to Impact velocity
(Outer layer 90°)
Table 7 Collapse test results for Square members according to interface numbers and impact velocity (Outer layer 0°)
Interface number of CFRP
Absorbed energy
Ea [J]
Total absorbed energy
EL [J]
Mean load
Pm [kN]
Maximum collapse load
Pmax [kN]
2I
372.4J 367.63 400.74 4.82 9.66
274.4J 297.78 408.83 3.1 7.41
223.4J 236.53 440.52 4.55 9.37
4I
372.4J 378.68 451 3.92 8.5
274.4J 270.23 496.33 3.73 8.98
223.4J 218.73 506.35 3.54 10.85
6I
372.4J 374.64 449.99 10.45 10.4
274.4J 275.66 449.98 3.72 9.01
223.4J 224.56 470.74 3.84 9.51
2 4 6
0 100 200 300 400 500 600 700
Total Absorbed Energy [J]
Interface Number [I]
223.4J 274.4J 372.4J
Fig. 64 Relationship between interface number of CFRP and Total absorbed energy for CFRP Square member according to Impact velocity
(Outer layer 0°)
Table 8 Collapse test results for Square members according to interface numbers and impact velocity (Outer layer 90°)
Interface number of CFRP
Absorbed energy
Ea [J]
Total absorbed energy
EL [J]
Mean load
Pm [kN]
Maximum collapse load
Pmax [kN]
2I
372.4J 357.49 500.55 3.75 10.98
274.4J 273.76 473.65 3.58 9.13
223.4J 213.95 570.03 3.85 10.11
4I
372.4J 365.21 456.19 2.85 3.94
274.4J 249.38 393.1 3.04 8.94
223.4J 223.77 492.48 3.57 8.87
6I
372.4J 367.66 514.44 3.78 8.47
274.4J 266.01 504.75 4.09 6.25
223.4J 222.81 532.71 3.89 6.93
2 4 6
0 100 200 300 400 500 600 700
Total Absorbed Energy [J]
Interface Number [I]
223.4J 274.4J 372.4J
Fig. 65 Relationship between interface number of CFRP and Total absorbed energy for CFRP Square member according to Impact velocity
(Outer layer 90°)
Fig. 66 Relationship between interface number of CFRP and Total absorbed energy for CFRP Circular member according to Impact velocity
Fig. 67 Relationship between interface number of CFRP and Total absorbed energy for CFRP Square member according to Impact velocity
충격 특성 5-3
본 연구에서는 적층각 및 형상이 다른 CFRP 구조부재에 충격에너지가 변화 할 때의 충격특성을 정량적으로 평가하기 위하여 자체 제작한 수직식 공기압 충격 시 험장치를 이용하여 충격 압궤실험을 행하였다.
충격속도는 CFRP 적층재의 흡수능력을 고려하여 결정하였다. Fig. 68, 69는 충 격속도의 변화에 따른 원형 CFRP구조부재 및 사각형 CFRP구조부재의 동적특성 과 적층각과의 관계를 최소자승법으로 Plot하여 나타냈다.
에서 의 적층각을 나타내고 각각 적층
Fig. 68, 69 ○ : 15°, △ : 45°, ⃞ : 90 ,
각이 15°, 45°, 90°인 원형 및 사각형 CFRP 구조부재의 충격에너지 변화에 따른 충격응력의 변화관계를 나타냈다 원형 및 사각형. CFRP 구조부재 모두 충격 에너지가 증가함에 따라 충격응력이 선형적으로 증가함을 알 수 있다 원형 구조부. 재의 경우는 기울기가 적층각 15°일 때 0.000556, 45°일 때 0.000786 그리고
일 때 이고 사각형 부재의 경우는 기울기가 일 때
90° 0.000835 , 15°
일 때 그리고 일 때 로써 사각형
0.001639, 45° 0.002177, 90° 0.002312 CFRP 구조부재가 원통 CFRP 구조부재보다 충격에너지가 증가함에 따라 충격응력이 빠 르게 증가함을 알 수 있었다 이상의 결과를. Fig. 68, 69에서 동적특성을 나타내는 동적특성계수 ϕ로 나타냈다.
= ϕ
정적압궤응력을
( . 충격압궤응력을 )를 나타낸다. ϕ = 1인 경우는
로서 정적 압궤상태이며 충격에너지가 증가할수록 정적압궤응력에 기울기를 더 한 값만큼 충격응력이 증가함을 알 수 있었다.
은 각각 계면의 원형 구조부재에 대하여 충격에너지
Fig. 70, 71 2, 4, 6 CFRP
변화에 따른 충격응력의 변화관계를 나타냈고, Fig. 72, 73은 각각 2, 4, 6계면의 사각형 CFRP 구조부재의 충격에너지 변화에 따른 충격응력의 변화관계를 나타냈 다 원형 및 사각형. CFRP 구조부재 모두 충격에너지가 증가함에 따라 충격응력이
부재의 경우 계면에서 기울기가 계면일 때 그리고
CFRP 2 0.001736, 4 0.001777
계면일 때 로 계면일 때 기울기가 가장 높았다고 최외각 인 경
6 0.002052 6 , 90°
우 역시 2계면일 때 0.001521, 4계면일 때 0.001618 그리고 6계면일 때
로써 계면일 때의 기울기가 가장 높았다 또한 로부터 최외
0.001751 6 . Fig. 72, 73
각 0°로 적층된 사각형 CFRP부재의 경우 기울기가 2계면일 때 0.002876, 4계 면일 때 0.002807 그리고 6계면일 때 0.002153으로 2계면일 때 기울기가 가장 높았고 최외각, 90°로 적층된 사각형 부재의 경우 역시 2계면일 때 0.002621, 4 계면일 때 0.002807 그리고 6계면일 때 0.002579 의 기울기를 나타냈다 이로써. 사각형 CFRP구조부재가 원형 CFRP 구조부재 보다 충격에너지가 증가함에 따라 충격응력이 증가함을 알 수 있었다.
충격에너지의 변화에 따른 충격응력의 변화를 정리하면 사각형, CFRP구조부재 의 경우 최외각층에 관계없이 2계면일 때 가장 높은 충격응력의 증가를 보여주었 고 반대로 원형 시험편의 경우 최외각층에 관계없이, 6계면 일 때 가장 높은 충격 응력의 증가를 보여주었다.
향후 더 많은 충격 실험을 통하여 충격압궤 시 시험편의 변형에 어느 정도의 에 너지가 소요되는지 시험장치의 반발에너지 마찰에너지 등의 영향은 없는지를 검, , 토하면 더욱더 정량적인 자료를 얻을 수 있으리라 생각된다.
Fig. 68 Relationship between fiber orientation angle of CFRP and Dynamic Characteristics for CFRP Circular member according to Impact velocity
Fig. 69 Relationship between fiber orientation angle of CFRP and Dynamic Characteristics for CFRP Square member according to Impact velocity
Fig. 70 Relationship between interface number of CFRP and Dynamic Characteristics for CFRP Circular member according to Impact velocity
(outer angle 0°)
Fig. 71 Relationship between interface number of CFRP and Dynamic Characteristics for CFRP Circular member according to Impact velocity
(outer angle 90°)
Fig. 72 Relationship between interface number of CFRP and Dynamic Characteristics for CFRP Square member according to Impact velocity
(outer angle 0°)
Fig. 73 Relationship between interface number of CFRP and Dynamic Characteristics for CFRP Square member according to Impact velocity
제 6 장 결 론
본 연구에서는 충격속도 변화에 따른 적층구성 및 형상이 다른 CFRP 구조부재 에 다양한 충격이 가해질 때의 CFRP 구조부재의 충격특성을 고찰 하였다 특히. , 각각의 형상의 변화 계면수 및 적층각의 변화에 따른 흡수에너지 및 동적특성을, 정량적으로 고찰하여 경량화를 고려한 수송기계의 개발 및 설계 시 유용한 자료를 얻고자 하였다 얻어진 결론은 다음과 같다. .
원형 및 사각형 구조부재 모두 적층각이 일 때 흡수에너지가 가장
1. CFRP 15°
크게 나타났으며 적층각이 45°, 90°순으로 낮게 나타났고 적층각, 15°인 부 재는 스플라인 모드로 압궤 되었으며, 적층각 45°인 부재의 경우는 스플라인 모드와 섬유 파단이 혼합된 혼합모드로 압궤 되었다 또한 적층각. , 90°인 부재 의 경우는 섬유의 국부좌굴에 의한 안정적인 굽힘을 보이며 압궤되었다.
사각형 부재의 경우 계면수 및 최외층각의 변화에 따라 충격에너지가 크
2. CFRP
게 변화 하였는데, 최외층각이 90°인 경우 0°일 때 보다 2계면일 때 약
계면일 때 정도 많은 에너지를 흡수함을 알 수 있었고 원통
18.3%, 6 12.5% ,
부재의 경우 사각형 부재와 비슷한 경향을 보이고 있으나 최외층
CFRP CFRP ,
각이 90°일 때 가 0°일 때 보다 각각 66%, 40% 이상 많은 에너지를 흡수하 였다 특히. , 2계면일 때가 최외층각도의 변화에 민감함을 알 수 있었다 이는 최. 외층각이 90°일 때 섬유의 파단에 의해 섬유의 굽힘이 혼합되어 나타나는 취 성파괴의 특성 때문이라 생각된다.
충격에너지가 증가할수록 충격응력은 크게 나타났다 특히 원형 구조부재
3. . , CFRP
보다 사각형 CFRP구조부재의 동적특성을 나타내는 기울기가 더 크게 나타났고, 적층각이 클수록 크게 나타났다 이로부터 원형. CFRP부재보다 사각형 CFRP부 재가 충격에 더 민감함을 알 수 있다.
사각형 및 원형 부재 모두 충격에너지의 크기에 따라 충격응력이 선형적
4. CFRP
으로 증가하였으며 정적압궤응력에 충격에너지의 변화에 따른 기울기 값을 더, 한 값만큼 선형적으로 증가 하였다 사각형. CFRP부재는 계면수가 적을수록 원 형 CFRP부재는 계면수가 많을수록 큰 기울기를 나타낸다.
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