J. of Advanced Engineering and Technology Vol. 14, No. 1 (2021) pp. 009~012
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응력 기반 파손 기준식을 이용한 탄소 복합재 구조부재의 충격 압궤 해석에 대한 연구
김 희 성*, 김 지 훈†
*조선대학교, 기계시스템 미래자동차공학과
†조선대학교, 기계공학과
A study on Simulation of Impact Collapse in Carbon Composite using Stress-based Failure Criterion
Hee-Seong Kim*, Ji-Hoon Kim
†*Department of Mechanical System and Automotive Engineering, Chosun University, Gwangju, Korea
†Department of Mechanical Engineering, Chosun University, Gwangju, Korea (Received : Jan. 29, 2021, Revised : Feb. 22, 2021, Accepted : Mar. 15, 2021)
Abstract : As environmental laws become stricter throughout the world, greater attention is being paid to carbon fiber composites for use as lightweight materials because of their excellent mechanical properties, such as higher specific stiffness and strength, compared with metal materials.
However, because such materials are composed of carbon fiber and epoxy resin, a complex failure mechanism caused by crack initiation and propagation arises that depends on the fiber orientation and stacking sequence. Therefore, in this paper, a drop tower test and simulation were carried out to examine the collapse behavior of structural members of CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastics) with different stacking sequences. Simulations were performed for each case for various collapse modes to determine the impact collapse of the carbon composite using stress-based failure criteria.
Keyword : Carbon composite, collapse mode, finite element analysis
1. 서 론
1)
과거 리우 회의를 통해 처음으로 환경 문제에 대한 우 려가 제기되었으며, 이에 따라 지구 온난화 방지에 대한 협약이 채택되었다. 이후 교토 의정서, 파리 협정을 거치 며 대한민국을 비롯한 여러 국가들은 배출가스 감축 목표 를 수립하고 이를 이행하는 등 꾸준한 환경보호 활동을 이어 나가고 있다. 그러나 전적으로 화석연료에 의존하는 산업구조로 인해 여전히 인간사회에 큰 위협으로 작용하 고 있으며 [1], 이에 산업 규제도 점차 강화되고 있는 추
†Corresponding Author 성 명 : 김 지 훈
소 속 : 조선대학교 기계공학과
주 소 : 광주 동구 필문대로 309 조선대학교 전 화 : 062-230-7523
E-mail : [email protected]
세다. 특히, 2015년 발생한 디젤 게이트는 내연기관 자동 차에 대한 불신을 초래하였으며, 독일을 비롯한 영국, 인 도 등의 국가에서 내연기관 자동차의 판매 제한 정책을 예고하는 등 자동차 산업에 큰 영향을 미쳤다 [2].
이에 완성차 업체들은 엔진 및 구동계의 효율 개선을 통해 배출가스를 감축하고자 하였다. 그러나 대부분의 전 문가들은 기술적 한계에 부딪혔다고 판단하였다 [3,4]. 대 안으로 부품의 경량화가 제시되었으며, 이는 일반적으로 차체의 무게가 약 10% 감소할 때마다 약 7~10%의 연비 가 향상되는 효과가 있어 [5], 연비 향상과 배출가스 감축 모두 기대할 수 있다. 경량화 소재인 탄소 복합재는 2000년대 자동차 산업에서 사용되기 시작했고 [6], 최근 에는 구조부재 부품 활용을 위한 실험과 이를 검증하기 위한 해석에 대한 연구가 진행되고 있다 [7-9]. 또한, Dalli 등 [10]은 F1 레이스카의 측면 충격 구조물의 경량 화 및 운전자 안전성 확보를 목적으로, 섬유 배향각도 및 충격 속도에 따른 CFRP 구조물의 정적 및 동적 충격 시 험과 해석을 수행하여 각각에 따른 압궤 거동을 살펴보았
응력 기반 파손 기준식을 이용한 탄소 복합재 구조부재의 충격 압궤 해석에 대한 연구
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다. 한편, Liu 등 [11]은 한 면을 구멍 가공한 다목적 사 각 단면 CFRP 구조부재를 제작하였고, 이를 활용한 정적 압궤 시험 및 해석을 통해 가공된 구멍의 위치에 따른 구 조부재의 흡수에너지를 도출하고 각각을 비교하였다.
탄소 복합재는 금속보다 가볍고 기계적 성질은 우수하 나, 재료적 성질은 취성에 가깝다. 그러므로 파괴를 수반 하는 압궤 거동은 균열의 발생에 의한 것이며, 이후 균열 의 진전 방향과 속도에 따라 다양한 압궤 거동을 보인다.
그러나 해석을 통해 검증하고자 하는 경우, 수많은 시행 착오를 통해 이러한 거동과 관련된 재료 매개변수의 보정 이 수반되어야 한다.
따라서 본 연구에서는 탄소 복합재 구조부재의 충격 압궤 시험을 수행하고, 이를 보정된 재료 매개변수가 적 용된 해석 모델의 결과와 비교하고자 한다.
2. 충격 압궤 시험
2.1 구조부재
본 시험에서는 한 방향으로 배열된 탄소섬유에 고분자 수지(기지)를 합침시켜 반경화된 상태의 일방향 프리프레 그(Unidirectional prepreg)를 사용하였으며, 섬유 배향 각도는 0° 및 90° 이다. 구조부재의 제작 방법은 적당한 길이의 알루미늄 관(Aluminum mandrel) 표면에 필름을 씌운 후, 상기의 프리프레그를 순서대로 적층하고 이것을 경화시킨 것으로, 대략적인 적층방법 및 구조부재의 형상 은 Figure 1에 나타내었다. 또한 적층순서는 Table 1에 나타낸 바와 같이 적층순서를 서로 다르게 하여, 총 두 종류의 구조부재를 제작하였다.
Figure 1. Schematic drawing of structural member
Type Layup Sequence A [0°2/90°2]2
B [0°/90°]4
Table 1. Stacking sequence of layers
2.2 시험 장치 구성
본 시험에서는 40kg 가량의 질량을 갖는 크로스 헤드
를 자유낙하 시켜 충격 하중이 구조부재에 전달되도록 Figure 2와 같이 장치를 구성하였다. 또한 장치의 하단부 에 로드셀과 광학 변위계를 배치하였고, 추가적으로 구조 부재를 로드셀의 상단부에 위치시켰다. 이후 충격 하중이 전달되는 동안 구조부재에 작용하는 하중 및 크로스 헤드 의 변위 데이터를 측정하였으며, 압궤 시험은 구조부재당 총 5번의 시험을 실시하였다.
3. 유한요소해석
3.1 해석 모델 구성
해석 모델은 Figure 3에 나타낸 바와 같이 두 개의 유 한한 판 형태의 강체 요소와 구조부재 모델로 구성하였 다. 여기서 상단에 위치한 강체는 크로스 헤드와 동일한 질량과 임계 속도를 부여하였고, 하단 부에 위치한 강체 모델은 해석이 진행되는 동안 구조부재를 지지하도록 자 유도를 구속하였다. 그리고 구조부재 모델은 쉘 요소를 사용하였고 프리프레그의 물성, 섬유 배향각도, 그리고 두 께 등 구조부재와 동일하게 설정 하였으며, 대략적인 프 리프레그의 물성은 Table 2에 나타낸 바와 같다.
Figure 3. Schematic view of finite element model Figure 2. Schematic view of testing equipment
김 희 성, 김 지 훈
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Property Value[MPa]
Longitudinal elastic modulus 1.423E+05 Transverse elastic modulus 8.210E+03 Longitudinal shear modulus 4.520E+03 Longitudinal tensile strength 2.020E+03 Longitudinal compressive strength 9.270E+02 Transverse tensile strength 6.100E+01 Transverse compressive strength 1.300E+02 Longitudinal shear strength 7.500E+01 Table 2. Mechanical properties of prepreg
3.2 재료 모델
본 논문에서 사용된 유한요소해석 프로그램은 ABAQUS이며, Hashin이 제시한 파손 기준식(1980) 기 반의 재료 모델을 사용하였다. 해당 모델은 섬유 방향 및 섬유 방향에 대해 수직한 기지 방향으로 파손 모드를 구 분하고, 다시 각각을 인장 및 압축 응력 발생에 따라 파 손되는 경우를 고려한 모델이다. 따라서 총 4가지 파손 모드로 구성되어 있으며, 각 모드에 대한 파손 기준식은 파손에 기여하는 응력과 강도의 비로 구성되어 있다. 그 리고 파손 여부는 4가지 모드 중 적어도 하나의 모드를 만족했을 경우 파손된 것으로 간주하며, 각각의 파손 모 드에 대한 기준식은 다음과 같다.
섬유 인장 파손모드(
··· (1)
섬유 압축 파손 모드(
··· (2) 기지 인장 파손 모드( )
··· (3) 기지 압축 파손 모드( )
··· (4)
여기서, 는 응력 요소, 및 는 섬
유방향 인장 및 압축강도, 및 는 기지방향 인장 및 압축강도, 및 는 종방향 및 횡방향 면내 전단 강도, 그리고 는 전단응력 기여 계수이다.
4. 결과 및 고찰
4.1 압궤 모드 비교
압궤 모드는 균열의 발생 및 진전에 따라 다양한 모 드를 보이며, 여기에는 층내 균열과 층간 균열이 있다. 전 자는 라미나(프리프레그) 내부 탄소섬유와 기지 사이에서 발생하게 되며, 후자의 경우는 적층된 두 라미나 사이의 계면에서 발생하게 된다. 또한 탄소섬유의 배향각도에 따 라 균열의 방향도 다양하게 나타나 다양한 압궤 모드를 보인다 [12,13].
한편 Figure 4에 나타낸 바와 같이, 두 구조부재 Type-A 및 Type-B의 해석 결과가 시험 결과와 같이 유 사한 압궤 모드를 보인 것을 확인하였다. 특히 균열이 진 전된 후 다수의 탄소섬유 다발이 잔존해 있는 시험 결과 와 같이, 해석에서도 요소의 일부가 취성 파괴 되거나 비 산하는 등의 거동을 보였다. 또한 파괴 되지 않은 요소는 계속 잔존하여 충격 하중을 흡수하며 지속적으로 균열이 진전되는 등 일련의 압궤 과정과 유사한 압궤 모드를 보 였다.
Figure 4. Deformed shape and structural member after collapse
4.2 압궤 거동 비교
압궤 시험으로부터 측정된 하중 및 변위 데이터(5번 의 시험 결과에 따른 평균)와 해석 결과로부터, Figure 5 와 같이 구조부재 Type-A 및 Type-B에 대한 하중-변위 그래프 나타내었다. 시험의 경우 처음 하중이 임계값까지 증가하며 이후 점차 감소하는 경향을 보였다. 다만 해석 의 경우는 임계값 도달 직후의 거동이 시험과 약간의 차 이를 보였으나 이후 시험과 유사한 거동을 보인 것을 확 인할 수 있었다.
Figure 5. Comparison of load-displacement response
응력 기반 파손 기준식을 이용한 탄소 복합재 구조부재의 충격 압궤 해석에 대한 연구
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5. 결 론
본 연구에서는 원형단면을 갖는 탄소섬유 복합재 구조 부재를 이용한 충격 압궤 시험 및 해석을 수행하여 그에 따른 압궤 거동에 대해 살펴보았다.
먼저 해석 결과로부터 살펴본 압궤 모드는 앞서 분석 한 바와 같이, 섬유방향을 따라 균열이 진전되거나 취성 파괴가 일어나는 등 시험과 같이 압궤 모드 모사가 가능 한 것을 확인하다.
또한 도출된 하중-변위 그래프로부터, 시험 및 해석 그 래프의 면적을 적분하여 그에 따른 흡수 에너지를 도출한 바, Type-A 구조부재의 경우는 각각 333.43J 및 306.42J, Type-B 구조부재의 경우는 각각 314.55J 및 293.73J임을 확인하였으며, 각각의 오차범위가 6% 및 8%로 적정 범위 이내에서 예측가능한 사실을 알 수 있었 다.
따라서 본 해석에서 사용된 재료 모델의 보다 정확한 검증을 위하여, 섬유배향 각도나 단면형상 등 다양한 조 건이 고려된 구조부재의 압궤 거동에 대한 추가 연구가 필요할 것으로 사료된다.
감 사
본 연구는 2019년도 산업통상자원부의 재원으로 한국에너지기술평가원(KETEP)의 에너지인력양성사업 으로 지원받아 수행한 인력양성 성과입니다. (No.
20194030202410)
이 연구는 2020년도 정부(산업통상자원부)의 재원 으로 한국산업기술진흥원의 지원을 받아 수행된 연구 임(P0002092, 2020년 산업혁신인재성장지원사업).
사용 기호
shear stress contribution factor tensile strength in fiber direction
compressive strength in fiber direction tensile strength in matrix direction compressive strength in matrix direction shear strength in longitudinal direction shear strength in transverse direction
그리스 문자
stress component in fiber direction in-plane shear stress
stress component in matrix direction
참고문헌
1. Yun, K. S., Journal of Environmental Policy and Administration, 22(1), 138(2014).
2. https://news.joins.com/article/21891635.html 3. Yoon, Y. S., Choi, S. G., AUTO JOURNAL,
27(5), 86-87(2005).
4. Park, J. S., Kim, J. B., Moon, J. B., Chang, H. K., and Yoon, S. H., Mechanicals and materials, 28(2), 44(2017).
5. Erjavec, J., Scharff, R., Automotive technology, Delmar-Cengage Learning, Inc., 48-56(1996).
6. Choi, J. H., Ph. D. Dissertation, Chosun University, Gwangju Korea, (2017).
7. Obradovic, J., Boria, S., Belingardi, G., Composite Structures, 94(2), 1-2(2011).
8. Hwang W. C et al., IJPM, 16(4), 677-678(2015).
9. Godara, S. S., Nagar, S. N., Materials Today:
Proceedings, 26(2), 2601-2602(2020).
10. Dalli, D., Varandas, L. F., Catalanotti, G., Foster, S., and Falzon, B. G., Composites Part B:
Engineering, 201, 1(2020).
11. Liu, Q., Liufu, K., Cui, Z., Li, J., Fang, J., and Li Q., Thin-Walled Structures, 1(2020).
12. Farley, G. L., Relationship Between Mechanica l-Property and Energy-Absorption Trends for Composite Tubes, Technical Report NASA-TP- 3284, 1-7(1992).
13. Rabiee, A., Ghasemnejad, H., Open Journal of Composite Materials, 7(1), 29-32(2017).
