기계 가공된 복합재료 키 조인트의 강도 연구

정강우 ( Kang Woo Jeong ),박용빈 ( Yong Bin Park ),최진호 ( Jin Ho Choi ),권진회 ( Jin Hwe Kweon ) 한국복합재료학회 2012 Composites research Vol.25 No.2

복합재료가 기계부품, 항공기 구조물에 폭 넓게 적용됨에 따라, 복합재료 구조물에서 가장 취약한 복합재료 체결부의 설계는 매우 중요한 연구 분야로 대두되고 있다. 본 논문에서는 기계적 체결방법의 문제점으로 발생하는 원공주위의 높은 응력집중현상을 감소시키기 위하여, 복합재료 키 조인트(composite key joint)를 제안하였고 파손강도를 평가하였다. 제안된 복합재료 키 조인트 체결부의 파손 판정을 위해서 파손지수(failure index)와 파손영역법(damage area theory)이 각각 적용되었다. 실험 결과로부터 복합재료 키 조인트는 기계적 체결부의 파손강도보다 93% 높은 값을 가짐을 볼 수 있었고, 복합재료 키 홈 깊이(key slot depth)가 0.88 mm이고 끝단 길이(edge length)가 20 mm일 때 가장 높은 파손하중 나타내었다. The comparison of the numerical results with those measured by the experiment showed good agreement. The design of composite joint which is the weakest part in the composite structures has become a very important research area since the composite materials are widely used in the aircraft and machine structure. In this paper, the new composite key joints that minimize the fiber discontinuity and strength degradation of adherend were proposed and their failure loads were evaluated. The failure index and damage area method were used for the failure prediction of the composite key joint. From the tests, the failure load of the composite key joint was 93% larger than that of a mechanical joint and the key joint whose slot depth and edge length were 0.88mm and 20mm had the largest failure load. Also, the analytic failure modes by the failure index and damage area were compared with experimental failure modes.

Mark Ⅲ 방열 판 구조물의 파손 강도 평가에 관한 연구

정한구,양영순 한국전산구조공학회 2014 한국전산구조공학회논문집 Vol.27 No.6

본 논문에서는 액화천연가스 운송을 위해 사용되는 맴브레인형 Mark Ⅲ 화물창 시스템의 주요 구조물인, 방열 판 구조물의 파손 강도 평가를 수행한 내용을 다루고 있다. Mark Ⅲ 방열 판 구조물을 복합적층 구조물로 고려하였으며 상용화된 범용 유한요소 프로그램인 MSC사의 PATRAN과 MARC를 사용하여 Mark Ⅲ 방열 판 구조물의 유한요소 모델을 개발하였다. 특히, 액화천연가스 화물의 특성으로 인해 Mark Ⅲ 방열 판 구조물이 접하는 상온에서 극저온에 이르는 광범위한 온도분포에 따른 재료 물성치 변화를 유한요소 모델에 포함하였다. 이 유한요소 모델을 기반으로 파손 강도 평가 절차가 확립되었으며, 이 때 Mark Ⅲ 방열 판 구조물의 파손 발생 여부를 판단하기 위해 Hashin, Hill, Hoffman, maximum stress, 그리고 Tsai-Wu와 같은 이방성 파손 기준들을 사용하였다. Mark Ⅲ 방열 판 구조물의 전반적인 구조적 거동을 이해하였으며 이후 초기 파손 영역에서 강도 평가를 수행하여 파손이 발생되었을 때의 위치와 하중 등을 알 수 있었다. Mark Ⅲ CCS plate is considered in this paper to perform its strength assessment. Mark Ⅲ CCS plate is designed and constructed by stacking various non-metallic engineering materials such as plywood, triplex and reinforced PU foam that are supported by series of mastic upon inner steel hull structure. From the viewpoint of structural analysis, this plated structure is treated as a laminated anisotropic structure. Commercially available general purpose finite element analysis programs such as MSC PATRAN and MARC are used to develop the finite element (FE) model of the Mark Ⅲ CCS plate. Because of the characteristics of LNG cargo that the Mark Ⅲ CCS plate deals with, it is subjected to a wide range of temperature variations, i.e. about -163℃ to 20℃. Different material properties of the Mark Ⅲ CCS plate at these temperature levels are considered in the FE model. Using the developed FE model, strength assessment procedure is developed incorporating various anisotropic failure criteria such as Hashin, Hill, Hoffman, Maximum stress and Tsai-Wu. The strength assessment is performed within the initial failure state of the Mark Ⅲ CCS plate and, as a result, failure details such as failure locations and loads are identified.

탄소섬유/에폭시 복합재료의 잔류강도 저하해석에 의한 피로수명 평가

심봉식,성낙원,옹장우 대한기계학회 1991 대한기계학회논문집 Vol.15 No.6

본 연구에서는 피로 잔류강도저하(fatigue residual strength degradation) 개념을 이용하여 복합재료의 잔류강도와 피로수명을 예측하고 실험을 통하여 비교 평 가하였으며, 설계시 고려되어야 할 인자를 파악하여 파손방지를 위한 유한 수명설계 및 손상허용설계의 기본자료를 집적함으로서 새로운 소재인 탄소섬유 강화 복합재료의 신뢰성 향상을 위한 개발과 고강도 경량화를 위한 이용설계에 활용할 수 있도록 하는 데 그 목적이 있다. Fatigue tests have been carried out to measure the degradation of the residual strength and the fatigue life in carbon/epoxy (0/45/90/-45)$_{2s}$ composite materials. Theoretical predictions of residual strength and fatigue life were compared with experimental results. Distribution characteristics were studied using the probability of failure based on the cumulative distribution function and median rand. The static ultimate strength of carbon/epoxy composites used herein is observed to be relatively higher than that of existing similar composites ; while fatigue life is shorter due to the brittleness of matrix. The fatigue life obtained in these experiments is shorter than that estimated by residual strength degradation model when the stress level above 0.6 For the stress level of 0.6, the experimental value was abruptly increased. The cumulative distribution function for the static ultimate strength is well correlated to that for the strength converted from the measured fatigue life. Also, the predicted distribution of residual strength shows good agreement with the experimental results. Therefore, it is proven that the residual strength degradation model is reasonable.e.

생분해성 포장재질이 달걀의 물성에 미치는 영향 연구

김지현,박종신,김병용,Kim, Ji-Hyun,Park, Jong-Shin,Kim, Byung-Yong 한국응용생명화학회 1997 Applied Biological Chemistry (Appl Biol Chem) Vol.44 No.4

생분해성 포장재질에 대한 달걀의 기능성 변화를 알아보기 위해 달걀의 저장중 pH변화, 파손강도 및 응력완화현상을 측정하고 무포장 및 복합 필름에 포장한 달걀과 비교하였다. 생분해성 포장재질을 달걀에 사용한 경우 pH는 초기 8.39에서 최종 pH 9.3으로 최종 pH 9.48을 보인 무포장의 경우와 유사한 pH변화를 보이며, 파손강도의 변화에 있어서도 초기 14.25 N에서 생분해성 포장재질로 포장한 경우 6.76 N, 무포장의 경우 9.31 N의 변화를 보였다. 생분해성 포장재질이나 무포장에 비해 공기투과도가 상대적으로 무척 낮은 복합 필름 포장재를 사용한 경우는 저장이 진행됨에 따라 pH는 8.39에서 8.81로 적은 변화량을 보였으나 파손 강도값은 14.25 N에서 5.29 N으로 크게 감소하는 것으로 보아 달걀내부의 물성학적 기능이 크게 저하됨을 보여주었다. 내부조직변화를 감지할 수 있는 응력완화 현상을 측정하여 3-elements Maxwell model에 적용하고 구하여진 점탄성의 값을 비교시 무포장한 달걀과 생분해성 포장재를 사용한 경우에는 큰 차이가 없었으나 복합 필름 포장재의 경우에는 저장이 진행됨에 따라 그 기능이 현저하게 떨어짐을 보여주었으며 따라서, 달걀의 기능성 변화를 살펴볼 때 공기 및 수분투과도가 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. 생분해성 포장재질의 많은 인장력 증가가 현 단계에서 요구되나 환경적인 문제를 고려할 때 기존의 달걀 포장재인 PE포장재의 대체품으로서 사용 가능성이 긍정적으로 여겨진다. The changes in rheological properties of egg white stored in biodegradable package were investigated by pH change, failure stress and stress relaxation curve, and compared with control without package and complex PE. Initial pH of egg white stored in biodegradable package changed from 8.39 to 9.3 after 8 day storage, showing similar trend in pH change as that of control without package. Initial 14.25 N failure stress was changed into 6.76 N in biodegradable package and 9.31 N in control. Complex PE, having a relatively low gas permeability compared to biodegradable package, showed less pH changes from 8.30 to 8.81, but a greater decrease in failure stress into 5.29 N, indicating more deteriorating effect in complex PE package. Viscoelastic constants, such as elastic constant and viscous constant, obtained from stress-relaxation curve by three element Maxwell model were not significantly different between control and biodegradable package, but eggs stored in complex PE showed greater changes during storage. Therefore, the permeability seems to be the major factors to influence the rheological properties of egg and biodegradable packaging materials showed a potential substitute package for eggs.

다공성 복합재의 파손 강도 예측을 위한 미시역학 전산 해석

양대규 ( Dae Gyu Yang ),신의섭 ( Eui Sup Shin ) 한국복합재료학회 2016 Composites research Vol.29 No.2

고온에서 열화학적 분해 현상을 겪는 고분자 기지 복합재료는 기지 내부의 기공도가 급격히 증가한다. 기공의 생성은 재료의 탄성 계수와 파손 강도를 감소시키며, 기공 내부의 가스 압력은 재료의 열기계적 거동에 영향을 준다. 본 논문에서는 기지 내부에 많은 기공이 포함된 일방향 섬유 강화 복합재료의 이차원 대표 체적 요소를 설정하고 유한요소 해석을 수행하였다. 이를 통해 기공 상태에 따른 복합재료의 유효 탄성 계수, 기공 탄성 계수, 파손 강도 등을 산출하였다. 특히, 기지 재료의 특성에 많은 영향을 받는 섬유 수직 방향의 파손 강도가 원래기지 강도보다 현격히 낮게 산출되며, 기공도가 증가함에 따라 지속적으로 떨어지는 경향을 확인하였다. Porosity in polymer matrix composites increases rapidly during thermochemical decomposition at high temperatures. The generation of pores reduces elastic moduli and failure strengths of composite materials, and gas pressures in internal pores influence thermomechanical behaviors. In this paper, micromechanical finite element analysis is carried out by using two-dimensional representative volume elements for unidirectionally fiber-reinforced composites with porous matrix. According to the state of the pores, effective elastic moduli, poroelastic parameters and failure strengths of the overall composites are investigated in detail. In particular, it is confirmed that the failure strengths in the transvers and through-thickness directions are predicted much more weakly than the strength of nonpored matrix, and decrease consistently as the porosity of matrix increases.

회귀분석법에 의한 복합재료 적층판의 압축파손강도 개발

이명건(Myoung Keon Lee),이정원(Jeong Won Lee),윤동현(Dong Hyun Yoon),김재훈(Jae Hoon Kim) 대한기계학회 2016 大韓機械學會論文集A Vol.40 No.10

본 논문에서는 회귀분석법(regression analysis method)을 사용하여 개발된 복합재 적층판의 압축 파손강도값을 수록하였다. 본 논문에 사용된 복합재료는 350°F(177℃)에서 경화되는 Carbon/Epoxy UD Tape 프리프레그(Cycom G40-800/5276-1)이며 운용온도 범위는 -60°F~+200°F(-55℃~+95℃)이다. 시편은 0°, +45°, -45° 및 90°층으로 적층된 8종류의 노치없는 적층판으로 총 56개 시편으로 구성하였다. 시험방법은 ASTM-D-6484 규정을 사용하였다. 적층판의 압축 파손강도값은 적층판 내 0°와 ±45°층의 적층비율을 변수로 하는 회귀 분석법(regression analysis method)을 사용하여 획득하였다. This paper provides the compressive failure strength value of composite laminate developed by using regression analysis method. Composite material in this document is a Carbon/Epoxy unidirection(UD) tape prepreg(Cycom G40-800/5276-1) cured at 350°F(177℃). The operating temperature is –60°F~+200°F(-55℃~+95℃). A total of 56 compression tests were conducted on specimens from eight (8) distinct laminates that were laid up by standard angle layers (0°, +45°, –45° and 90°). The ASTM-D-6484 standard was used for test method. The regression analysis was performed with the response variable being the laminate ultimate fracture strength and the regressor variables being two ply orientations (0° and ±45°).

용접부 중앙에 원주방향균열이 있는 배관에 대한 강도불일치 한계하중 해석 및 파괴역학 평가

송태광(Tae-Kwang Song),전준영(Jun-Young Jeon),심광보(Kwang-Bo Shim),김윤재(Yun-Jae Kim),김종성(Jong-Sung Kim),진태은(Tae-Eun Jin) 대한기계학회 2010 大韓機械學會論文集A Vol.34 No.1

본 논문에서는 유한요소 해석을 통해 용접부 중앙에 원주방향균열이 있는 배관에 대한 강도불일치 한계하중 해석 및 파괴역학 해석을 수행하였다. 강도불일치 한계하중식을 제시하기 위해 강도불일치 비, 용접부 폭, 균열 길이 및 배관 반경비에 대한 체계적인 변수 해석을 수행하였으며 참조응력법을 바탕으로 스테인리스강 및 페리틱 강에 대한 J-적분 계산을 수행하였다. 본 연구에서 제시한 강도불일치 한계하중을 사용하여 참조응력을 정의할 때, 보다 정확한 J-적분 결과를 얻을 수 있었다. In this paper, limit load analyses and fracture mechanics analyses were conducted via finite element analyses for the welded pipe with circumferential crack at the center of the weldment. Systematic changes for strength mismatch ratio, width of weldment, crack shape and thickness ratio of the pipe were considered to provide strength mismatch limit load. And J-integral calculations based on reference stress method were conducted for two materials, stainless steel and ferritic steel. Reference stress defined by provided strength mis-match limit load gives much more accurate J-integral.

원공이 있는 복합재 적층판의 압축강도 예측

김성준(Sung Joon Kim),박세훈(Sehoon Park) 한국항공우주학회 2021 韓國航空宇宙學會誌 Vol.49 No.7

원공이 있는 복합재 적층판의 강도는 복합재 항공기기 설계 시 충격하중이 가해지는 부위의 설계 허용치로 사용된다. 일반적으로 BVID (Barely Visible Impact Damage)에 의한 강도저하는 24.0mm 폭의 시편에 6.0 mm 지름의 원공이 있는 시편의 강도로 가정한다. 본 연구에서는 원공이 있는 복합재 적층판의 강도에 적층각이 미치는 영향을 조사하기 위해 잔류강도 시험을 수행하였다. 원공이 있는 적층판의 강도를 예측하기 위해 특성길이를 이용한 점응력 파손기준을 사용하였고, 이론해를 검증하기 위하여 유한요소해석을 수행하였다. 실험결과로부터 특성길이는 0˚, ±45˚와 90˚층의 비율과 관련이 있음을 보였다. 또한 회귀분석을 통하여 임의의 적층 패턴에 대한 특성길이와 원공이 없는 시편의 강도를 결정하였다. Open hole strength of composite laminates is often used as the design allowable strength for designing composite aircraft structures, particularly those structures subjected to impact loading. Generally, the degradation of strength due to a barely visible impact damage (BVID) is assumed as the strength of 6.0 mm hole diameter in 24.0 mm width specimen. In this study, the residual strength static tests of composite laminates containing circular holes have been performed to investigate the effects of fiber orientation structure on open hole strength. The point stress criterion using a characteristic length is used to predict the open hole strength. The finite element analysis has been used to validate the analytical method. From the test results, it is shown that the characteristic length is related to the percentage of 0˚, ±45˚ and 90˚ plies of the laminate. And regression analysis has performed to determine the characteristic length and strength of no hole specimens on the arbitrary layup pattern.

일방향-평직 혼합 적층 복합재 체결부의 점진적 파손해석

신소영(So-Young Shin),권진회(Jin-Hwe Kweon),최진호(Jin-Ho Choi) 한국항공우주학회 2004 韓國航空宇宙學會誌 Vol.32 No.1

점진적 강성저하를 고려한 2차원 유한요소해석에 의해 핀하중을 받는 일방향-평직 혼합복합재 체결부의 파손 및 강도 특성을 연구하였다. 체결부는 8절접 적층 쉘요소를 사용하여 이상화하였다. 다양한 파손기준식과 완전제하법을 사용하여 체결부의 국부적 손상에 의한 강성저하를 고려하였다. 폭과 끝단길이가 다른 9종류, 52개의 일방향-평직 혼합 적충 복합재 시편에 대한 체결부 실험을 수행하여 강도와 파손모드를 구하였다. 연구 결과, 혼합판정법을 적용한 유한요소해석의 결과가 체결부 강도와 파손모드에서 모두 실험 결과와 잘 일치하는 것으로 나타났다. A 2-dimensional progressive failure analysis is conducted to predict the failure and strength of the unidirectional-fabric hybrid laminated composite joint under pin-loading. Eight-node laminated shell element is used for the finite element modeling. Post-failure stiffness is evaluated based on the complete unloading method combined with various failure criteria. Total of 52 specimens with 9 different geometries are tested to get the experimental strength and failure. mode. The results show that the finite element analysis based on the combined Yamada-Sun and Tsai-Wu criteria predicts the strength and failure mode of the hybrid composite laminated joints with good accuracy.

원공공차를 가진 볼트 조인트와 핀 조인트의 강도평가에 관한 연구

정강우 ( Kang Woo Jeong ),최진호 ( Jin Ho Choi ),권진회 ( Jin Hwe Kweon ) 한국복합재료학회 2012 Composites research Vol.25 No.6

복합재료가 기계부품 및 항공기 구조물에 폭 넓게 적용됨에 따라, 복합재료 구조물에서 가장 취약한 복합재료 체결부의 설계는 매우 중요한 연구 분야로 대두되고 있다. 본 논문에서는 다양한 원공공차를 가지는 복합재료 볼트 조인트와 핀 조인트의 강도를 상호 비교하였다. 실험결과로부터 조인트의 원공공차가 880 ㎛일 때 원공공차가 0 ㎛ 보다 첫 번째 파손하중의 볼트 조인트는 24.2 %, 핀 조인트는 51.3 %의 강도저하가 발생되었다. 또한, 이에 대한 유한 요소 해석을 수행하여 파손지수를 계산하고 실험값과 상호 비교하였다. With the wide application of fiber-reinforced composite material in aero-structures and mechanical parts, composite joint have become a very important research area because they are often the weakest sites in composite structures. In this paper, the failure strengths of the bolted joint and pin joint which have variable hole clearance were evaluated and compared. From the tests, the first failure loads of the bolted joint and pin joint with 880 ㎛ hole clearance have decreased by 24.2 % and 51.3 % compared to those of joints with 0 ㎛ hole clearance, respectively. Also, the failure index of the joints were calculated by the finite element method and compared with experimental results.