† 교신저자, 국립한밭대학교, 기계설계공학과 E-mail : [email protected] * 국립한밭대학교, 기계설계공학과, 경량구조 및 CAE 실험실 ** 한국철도기술연구원, 신교통연구본부
도상자갈 비산에 의한 경량 대차프레임 적용 적층 복합재의 저속충격 손상
및 충격 후 압축 강도 평가
Evaluation of Low Velocity Impact Damage and Compressive Strength
After Impact for Laminate Composites Applied to Lightweight Bogie Frame
Induced by Flying Railway Ballast
구준성* 신광복† 김정석**
Jun-Sung Goo Kwang-Bok Shin Jung-Seok Kim
ABSTRACT
In order to evaluate the structural integrity of a GFRP composite bogie frame due to flying railway ballast, the low velocity impact test and compressive test after impact was conducted for glass fiber/epoxy 4-harness satin woven laminate composites applied to skin part of a bogie frame. The impact test was performed using a instrumented impact testing system with energy levels of 5J, 10J and 20J and the designed impactor based on typical railway ballast shapes such as sphere, cube and cone to simulate the ballasted track environments. The compressive strength was tested to according to ASTM D7137 to evaluate the degradation of mechanical property of impact damaged laminate composites. The results showed that the damage area and the degradation of compressive strength after impact for laminate composites was increased with increase in impact energy for all ballast shapes and was particularly most influenced by cone ballast shape.
1. 서론 최근 국제사회는 유가 상승과 지구온난화현상에 대한 문제가 대두됨에 따라 온실가스 감축을 위한 운 송수단의 에너지 효율성 증대 및 경량화에 대한 관심이 증대되고 있는 실정이다. 이에 운송수단의 차체 구조물에 대한 복합소재 적용을 위한 연구가 활발히 이루어지고 있으며, 국내의 경우 한국철도기술연구 원에서 적층 복합재를 적용한 대차프레임에 대한 연구개발이 진행 중에 있다[1]. 한국철도기술연구원에 서 개발 중인 경량화 대차 프레임에 적용된 소재는 4-매 주자직 적층 복합소재로서, 철도 안전법에 의 거한 구조적 안전성 및 피로특성에 대한 연구가 수행되었다. 그러나 적층 복합재는 두께방향에 대한 충 격 특성이 기존 금속재 대차프레임에 비해 높지 않기 때문에 충격에 의한 구조손상 및 안전성 검증이 필요한 실정이다. 철도차량 주행 시 하부 유동의 교란 및 설빙 낙하로 인하여 선로주변의 자갈이 비산되어 차체 하부 구조물과의 충돌을 초래한다[2]. 기존 금속재 대차프레임의 경우 도상자갈 등의 충격에 대한 표면 도장 면의 손상 정도만 발생하여 충격에 대한 안전성이 확보된 반면, 적층 복합재의 경우 외부충격으로 인해 섬유 및 기지재료 파손과 적층 계면 층간박리를 발생시켜 충격을 받은 구조물의 주변 영역에 대한 물성 저하를 초래할 수 있다. 본 연구에서는 다양한 형상을 갖는 자갈비산에 대한 적층 복합재 적용 대차프레임의 구조적 안전성을 평가하기 위하여 대차프레임 스킨부에 적용된 4-매 주자직 복합재의 저속충격 특성 및 충격에 의한 재
료의 물성저하를 평가하였다. 도상자갈 비산에 의한 충격특성을 모사하기 위해 국내 선로상의 자갈 형 상을 기준으로 구형, 육면체형, 그리고 원뿔형의 충격체를 선정하였다[3]. 복합소재에 대한 충격에너지 는 5J, 10J, 그리고 20J로 복합소재의 저속충격 영역에 대한 충격시험을 수행하였으며, 동일한 충격에너 지에서 충격체의 형상에 따른 적층 복합재의 손상특성을 평가하였다. 또한, 적층 복합재의 충격 후 압축 시험을 통하여 충격에 의한 복합소재의 물성저하 여부를 평가하였다. 2. 적층 복합재 적용 대차프레임의 저속충격특성 평가 2.1 시험편 제작 저속충격 시험 및 충격 후 압축시험에 사용된 적층 복합재는 유리섬유/에폭시 4-매 주자직 복합재로 서, 0.25mm의 두께를 갖는 직물 프리프레그(fabric prepreg)를 (0˚/90˚)5S로 적층하여 오토클레이브 (autoclave)를 사용하여 성형을 수행하였다. 이때, 오토클레이브에서는 각각 80℃와 125℃이 온도 이력 이 적용되었으며, 압력은 6.0bar가 적용된 상태에서 시험편을 성형하였다. 시험편은 ASTM D7136 규정에 따라 그림 1에 나타난 치수 및 형상을 고려하여 제작하였다[4]. 본 규 정에 적용된 시험편은 충격 후 압축시험을 수행할 수 있는 규격으로서, 세로방향 150mm를 섬유의 길이 방향과 평행하도록 가공하였다. 저속충격시험은 표 1과 같은 시험편 수량에 대한 시험을 수행하였다. 그림 1 저속충격시험 및 충격 후 압축시험 시험편 Lamination layer (0˚/90˚)5S Impactor Type ● ■ ▼ Impact Energy
5J 5ea 5ea 5ea
10J 5ea 5ea 5ea 20J 5ea 5ea 5ea
표 1 저속충격시험 시험편 수량 2.2 저속충격시험 방법 정의 유리섬유/에폭시 적층 복합재는 ASTM D7136 규정에 의거하여 시험을 수행하였으며, 시험 장치는 인 스트론 사의 낙하충격 시험기(dynatup 8250)를 사용하였다. 이때, 적층 복합재 시험편은 규정에 따라 4 점 지지 구속조건을 적용하여 토글클램프(toggle clamp)로 고정하였으며, 시편 중앙부를 기준으로 75mm×125mm의 중공을 갖는 지지대를 적용하였다. 또한, 충격 후 충격체의 리바운드(rebound)를 방지하 여 시험편에 대한 추가적인 충격을 가하지 않도록 시험을 수행하였다. 자갈 형상 형상 정의 자갈 평균 질량 충격체 형상 둥근 형태 97.4g 구형 반구 형태 85g 육면체형 납작한 형태 72.9g 원뿔형 표 2 도상자갈 형상에 따른 저속충격 시험용 충격체 형상 도출 시험에 사용된 충격체는 표 2와 같이 국내 도상자갈의 종류를 기준으로 자갈 비산에 따라 발생할 수 있는 다양한 충격 특성을 평가할 수 있는 구형, 육면체형, 그리고 원뿔형의 3가지 형상을 도출하였다. 충격에너지는 충격체의 낙추 높이를 변경하여 5J, 10J, 그리고 20J의 충격에너지를 적용하였다.
2.3 저속충격 시험 결과 그림 2는 유리섬유/에폭시 4-매 주자직 적층 복합재의 저속충격 특성을 나타내고 있으며, 동일한 충 격에너지하에서 충격체 형상별 특성을 나타냈다. 이때, 구형과 육면체 형상을 갖는 충격체는 유사한 충 격거동을 보이는 반면, 원뿔 형상을 갖는 충격체는 이들과 상이한 충격 거동 특성을 나타냈다. 이러한 현상은 원뿔 형상을 갖는 충격체가 다른 충격체에 비하여 적층 복합재에 치명적인 손상을 발생시켜 반 력을 감소시키고, 충격에 의한 접촉 시간을 연장시킨 것으로 판단된다. 그림 2 동일한 충격에너지하에서의 형상별 시간-에너지 선도 및 시간-하중 선도 5J과 10J의 충격에너지에 대한 구형과 육면체의 경우 복합재의 파손을 발생시키지 않지만 충격체와 접 촉되는 면에 대한 찍힘 및 인장에 의한 배면 기지재료의 미세균열이 확인되었다. 그러나, 20J 이상의 충 격에너지에서 적층 복합재는 모든 형상의 충격체에 의한 손상이 발생하였으며, 손상영역도 크게 증가됨 을 확인할 수 있었다. 그림 3 다양한 형상의 충격체에 의한 적층 복합재의 충격 손상 특성(20J) 그림 3은 적층 복합소재의 가장 큰 손상을 발생시킨 20J의 충격에너지에 대한 손상특성을 나타내고 있다. 시험편은 섬유방향에 따라 (0˚/90˚)5S로 적층한 복합재로서 충격에 의한 손상영역이 대칭적으로 발 생해야 한다. 그러나 시험편 및 지지대의 중공부 형상이 직사각형 형태로서 warp 방향으로 긴 구조를 갖고 있다. 이에 복합재의 손상이 warp 방향으로 더욱 넓게 발생하는 것을 확인할 수 있었다.
3. 적층 복합재 적용 대차프레임의 충격 후 압축특성 평가 3.1 충격 후 압축시험 방법 정의 적층 복합재의 기계적 특성으로써 두께방향에 대한 내충격성이 금속재에 비하여 낮은 경향을 보인다. 이에 저속충격을 받은 시험편에 대한 압축시험을 통하여 재료의 물성저하를 평가해야 한다[5]. 충격 후 압축시험은 ASTM D7137 규정에 의거하여 시험을 수행하였다[6]. 압축시험에 적용된 시험 속도를 1.25mm/min으로 설정하여 시험을 수행하였으며, ASTM 규정에 명시된 시험편 전면 2개소와 추가적으로 시험편 뒷면에 스트레인 게이지(strain gauge)를 부착하여 시험 수행간 좌굴 발생여부를 판단하여 결과의 신뢰도를 높였다. 그림 4는 충격 후 압축시험용 지그에 결합된 시험편 형상 및 게이지 부착위치에 대해 나타내고 있다. 그림 4 충격 후 압축지그 형상 및 게이지 부착위치 3.2 충격 후 압축 시험 결과 충격 후 압축시험을 수행함에 앞서 적층 복합재가 외부요인의 영향을 받지 않은 상태의 압축특성에 대한 평가를 수행하여 기준이 되는 모델 확립이 필요하다. 이에 충격을 받지 않은 시험편에 대한 압축 시험을 수행하여 기준이 되는 물성을 획득하였다. 그림 5는 충격 후 압축시험에 의한 적층 복합재의 파손 발생 과정을 나타내고 있다. 초기에 충격을 받은 위치에서 warp 방향의 크랙이 발생한 후 점진적으로 확산되고, 최종적으로 fill 방향의 파손이 발 생하게 된다. 이러한 현상은 저속충격시험에서 warp 방향에 대한 손상영역이 fill 방향에 비해 넓게 확 산되어 있기 때문이라 판단된다. 따라서, 압축하중을 받는 재료의 경우 재료의 초기 손상부위가 있을 경 우 외력에 의해 손상영역이 확장될 수 있다는 사실을 확인하였다. 그림 5 저속충격 후 압축시험에 의한 적층 복합재의 파손 현상 본 실험에서 발생한 복합재의 파손모드는 중간부 손상모드(LDM), 게이지 근처 손상모드(LGM), 그리 고 중간부 층간박리 손상모드(WDM)가 혼합되어 발생하는 것을 확인하였다. 표 3은 충격 후 압축시험을 수행 결과로써 복합재의 파손이 중간부에서 발생하는 시험편에 대하여 작 성되었다. 충격 후 압축시험 결과, 20J의 충격에너지부터 압축에 의한 재료강도가 감소하는 현상을 확인
하였으나, 재료의 강도에 큰 영향을 미치지 않는 것을 확인하였다. 또한, 구형과 육면체 형상의 충격체 에 비해 원뿔형 형상을 갖는 충격체에서 보다 높은 압축강도 감소가 발생하는 것을 확인하였다.
형상 Modulus(GPa) *SD(%) Strength(MPa) *SD(%)
Baseline 22.61 1.39 256.16 4.88
형상 ModulusImpact Energy 5J Impact Energy 10J Impact Energy 20J
(GPa) S.D (%) Strength (MPa) S.D (%) Modulus (GPa) S.D (%) Strength (MPa) S.D (%) Modulus (GPa) S.D (%) Strength (MPa) S.D (%) 구형 24.53 1.09 259.30 4.45 23.79 0.63 260.92 4.22 24.82 0.95 247.56 3.59 육면체형 24.73 0.27 265.56 1.50 23.97 0.26 262.859 1.85 25.24 1.18 254.23 8.96 원뿔형 23.52 1.08 255.62 3.23 23.32 0.38 258.58 5.16 24.39 1.22 240.49 23.63 표 3 충격 후 압축시험을 통한 재료 물성저하 평가 ※ S.D(%) : Standard deviation (%) 4. 결론 본 연구는 경량 대차프레임의 스킨부에 적용된 4-매 주자직 적층 복합재에 대한 저속충격 특성 및 물성저하를 평가하기 위해 시편단위 저속충격시험 및 충격 후 압축시험을 수행하였고, 다음과 같은 결 론을 도출하였다. (1) 구형, 육면체형, 원뿔형의 형상을 갖는 충격체에 대한 저속충격시험과 충격 후 압축시험을 통해 다양한 형상을 갖는 도상자갈 비산에 의한 복합재 적용 대차프레임 스킨부의 충격특성 및 구조안전성 평가에 대한 모사시험을 수행하였다. (2) 적층 복합재의 저속충격시험 결과 구형 및 육면체형의 충격체에 비해 원뿔형 형상을 갖는 충격체 에서 보다 넓은 손상영역이 발생하였으며, 이러한 충격손상 특성은 접촉 적이 좁은 형상의 충격체에서 재료에 대한 손상을 가중시킬 것으로 판단된다. (3) 충격 후 압축시험 수행 결과, 충격에 의한 재료의 물성저하가 미비하여 복합재 적용 대차프레임 은 구조적으로 안전함을 확인하였다. 그러나 철도차량 운행에 따른 도상자갈의 충격으로 인하여 표면의 찍힘 등의 국부적인 손상이 발생할 수 있을 것으로 판단됨으로써 복합재 적용 대차프레임 스킨부에 고 무와 같이 충격을 완충해줄 수 있는 표면처리가 필요할 것으로 판단된다. 참고문헌 1. 전광우, 신광복, 김정석 “경량 복합재 대차프레임의 피로수명 및 강도 평가,” 대한기계학회논문집, 35 권, 8호, pp.913~920, 2011. 2. 권혁빈, 남성원, 김대상, 이일화, 한진석, “고속철도 설빙낙하에 의한 자갈비산 방지대책 연구”. 한국 철도학회 춘계학술대회, pp.77-82, 2004 3. 노주현, 구요천, 윤수환, 박훈일, 권혁빈, 이동호, “자갈 종류 및 하부 유동 조건에 따른 자갈비산 확 률 분석”, 한국철도학회논문집, 12권 6호, 2009
4. American society for testing materials, "Standard Test Method for Measuring the Damage Resistance of a Fiber-Reinforced Polymer Matrix Composite to a Drop-Weight Impact Event", ASTM D 7136, 2005
5. F. Aymerich, P. Priolo, “Characterization of fracture modes in stitched and unstitched cross-ply laminates subjected to low-velocity impact and compression after impact loading”, International Journal of Impact Engineering 35, 2008, pp.591–608
6. American society for testing materials, "Standard Test Method for Compressive Residual Strength Properties of Damaged Polymer Matrix Composite Plates", ASTM D 7137, 2005
