방향성 있는 감쇠재료가 삽입된 복합적충판의 진동 및 감쇠특성

김성준 ( Kim Seong Jun ) 한국복합재료학회 2003 Composites research Vol.16 No.5

복합재료에 삽입된 점탄성 재료는 복합재구조물의 감쇠물성을 크게 증가시킨다. 일반적으로 점탄성 재료는 동방성이므로 모든 방향의 감쇠물성이 동일하다. 최근 재료의 방향에 따라 감쇠물성이 변하는 이방성 감쇠재료의 개발이 요구되고 있다. 이방성 감쇠재료는 점탄성 재료 내부에 얇은 섬유를 삽입하여 제작한다. 삽입된 섬유는 댐핑재료의 강성에 큰 영향을 주며 강성은 고전 적충판 이론을 따르게 된다. 본 논문에서는 Ni와 Adams의 이론을 이용하여 손실계수를 평가하였다. 그리고 방향성 있는 감쇠재료의 영향을 평가하기위해 저속충격 거동해석을 수행하였다. 해석결과로부터 방향성 있는 감쇠재료는 복합적충판의 진동 및 감쇠특성에 큰 영향을 줌을 보였다. Emhedding viscoclmtic-damping materials into composites can greatly increase the damping properties of composite structures. Usually viscoelastic-damping materials behave isotropically so that their damping properties are the same in all directions. In these days. there is a desire to develop viscoelastic-damping materials that behave orthotropically so that damping properties vary with material orientation. These orthotropic damping materials can be made by embedding rows of thin wires within the viscoelastic materials. These wires add significant directional stiffness to the damping materials. where the stiffness variation with wire orientation follows classical lamination theory. In this paper, the loss factor of composite laminate was evaluated based on Ni and Adams` theory. To investigate the effect of directional damping material. the low-velociy impact response analysis was also performed. The present analysis results show that directional damping material has a great influence on vibration and damping characteristic of composite laminate.

미래모빌리티를 위한 차세대 경량구조복합재료 검토: 자기강화복합재료의 적용 가능성

김미나 ( Mi Na Kim ),장지운 ( Ji-un Jang ),이혜성 ( Hyeseong Lee ),오명준 ( Myung Jun Oh ),김성륜 ( Seong Yun Kim ) 한국복합재료학회 2023 Composites research Vol.36 No.1

미래모빌리티의 발전 기대에 따라 에너지 소비 절감에 대한 수요가 증가하고 있다. 경량구조용소재는 온실가스 배출 감소 및 에너지 효율 향상을 위한 방안으로 알려져 있다. 특히, 섬유강화복합재료(FRP, fiber reinforced polymer composite)는 뛰어난 기계적 특성 및 낮은 무게로 인해 기존 합금을 대체할 수 있는 소재로 주목받는다. 본 논문에서는, 탄소섬유강화복합재료(CFRP, carbon FRP) 및 자기강화복합재료(SRC, self-reinforced composite)의 산업 적용 및 연구 동향을 강화재, 고분자 매트릭스 및 공정에 기반하여 검토하였다. 항공분야에서 주로 활용되는 에폭시 수지 기반 오토클레이브 공법의 높은 공정단가 및 긴 제조시간을 극복하기 위하여, 속경화성 에폭시 수지를 이용한 고압수지이송성형 공정으로 CFRP가 적용된 전기자동차의 양산을 보고하였다. 또한, 탄소섬유복합재료의 재활용 이슈를 해결하기 위한 열가소성 수지 기반 CFRP 및 계면 향상 방안들이 재료 및 공정 측면에서 검토되었다. FRP의 우수한 기계적 특성을 유도하는 주요한 요인으로 알려진 완벽한 매트릭스-강화재 계면을 형성하기 위하여, 고분자 섬유에 동일한 매트릭스를 함침시킨 SRC에 대한 연구들이 보고되고 있다. 다양한 열가소성 고분자에 기초한 SRC의 물리적 및 기계적 특성들을 고분자 배향 및 복합재료 구조 측면에서 검토하였다. 또한, 고연신 폴리프로필렌 섬유 기반 SRC의 공정창 확장을 위한 공중합체 매트릭스 전략이 논의되었다. 경량구조용소재의 CFRP 및 SRC 적용은 미래모빌리티의 에너지 효율 향상에 대한 잠재적인 선택을 제공할 수 있다. Demand for energy consumption reduction is increasing according to the development expectations of future mobility. Lightweight structural materials are known as a method to reduce greenhouse gas emissions and improve energy efficiency. In particular, fiber reinforced polymer composite (FRP) is attracting attention as a material that can replace existing metal alloys due to its excellent mechanical properties and light weight. In this paper, industrial applications and research trends of carbon fiber reinforced composites (CFRP, carbon FRP) and self-reinforced composites (SRC) were reviewed based on the reinforcement, polymer matrix, and manufacturing process. In order to overcome the expensive process cost and long manufacturing time of the epoxy resin-based autoclave method, which is mainly used in the aircraft field, mass production of CFRP-applied electric vehicles has been reported using a high-pressure resin transfer molding process including fast-curing epoxy. In addition, thermoplastic resin-based CFRP and interface enhancement methods to solve the recycling issue of carbon fiber composites were reviewed in terms of materials and processes. To form a perfect matrix-reinforcement interface, which is known as the major factor inducing the excellent mechanical properties of FRP, studies on SRC impregnated with the same matrix in polymer fibers have been reported. The physical and mechanical properties of SRC based on various thermoplastic polymers were reviewed in terms of polymer orientation and composite structure. In addition, a copolymer matrix strategy for extending the processing window of highly drawn polypropylene fiber-based SRC was discussed. The application of CFRP and SRC as lightweight structural materials can provide potential options for improving the energy efficiency of future mobility.

합성곱 신경망 기반의 딥러닝을 이용한 섬유 강화 복합재료의 적층 각도 예측

홍현수 ( Hyunsoo Hong ),김원기 ( Wonki Kim ),전도윤 ( Do Yoon Jeon ),이관호 ( Kwanho Lee ),김성수 ( Seong Su Kim ) 한국복합재료학회 2023 Composites research Vol.36 No.1

섬유 강화 복합재료는 방향성을 가지고 있기 때문에 적층 순서에 따라서 구조물의 기계적인 특성은 매우 달라질 수 있다. 따라서, 상황과 용도에 따른 복합재료 구조물의 적층 설계는 필수적이다. 그러나 제작된 복합재료 구조물의 적층 각도는 제작 환경이나 구조물 형상에 따라 설계 값과 편차를 가지는 경우가 많으며, 이는 구조적 성능에 영향을 끼칠 수 있다. 따라서 구조물의 신뢰성 확보를 위해서는 적층 설계 뿐만 아니라 제작된 복합재료의 적층각에 대한 분석 또한 매우 중요하다. 본 연구에서는 합성곱 신경망(Convolutional neural network; CNN) 기반의 딥러닝(Deep learning)을 이용하여 섬유 강화 복합재료의 실제 단면 이미지로부터 적층 각도를 예측하였다. 여러 적층 각도를 가지는 탄소 섬유 강화 복합재료 시편을 제작하고, 광학 현미경을 이용하여 Micro-scale로 실제 단면을 촬영하였다. 다양한 적층 각도에 따른 복합재료 시편의 단면 이미지 데이터를 이용하여 합성곱 신경망 기반의 딥러닝 모델에 대하여 학습을 수행하였다. 그 결과 높은 정확도로 실제 섬유 강화 복합재료 단면 이미지로부터 적층 각도를 예측할 수 있었다. Fiber-reinforced composites have anisotropic material properties, so the mechanical properties of composite structures can vary depending on the stacking sequence. Therefore, it is essential to design the proper stacking sequence of composite structures according to the functional requirements. However, depending on the manufacturing condition or the shape of the structure, there are many cases where the designed stacking angle is out of range, which can affect structural performance. Accordingly, it is important to analyze the stacking angle in order to confirm that the composite structure is correctly fabricated as designed. In this study, the stacking angle was predicted from real cross-sectional images of fiber-reinforced composites using convolutional neural network (CNN)-based deep learning. Carbon fiber-reinforced composite specimens with several stacking angles were fabricated and their cross-sections were photographed on a micro-scale using an optical microscope. The training was performed for a CNN-based deep learning model using the cross-sectional image data of the composite specimens. As a result, the stacking angle can be predicted from the actual cross-sectional image of the fiber-reinforced composite with high accuracy.

고강성 탄소섬유 복합재료 단층 설계허용값 개발

이명건,장세용,김상용,조숙경 한국항공우주학회 2012 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2012 No.11

1990년대 고강성/고강도 탄소섬유 복합재료 IM7/977-3 프리프레그(군용항공기, Cytec/미국)와 T800H/3900-2 프리프레그(민수항공기, Toray/일본)가 개발되면서 본격적으로 항공기 1차구조물에 적용되었다. 군용항공기(F-22, F-35, 유로파이터), 민간항공기(Boeing 787, A350/A380) 및 무인기(Global Hawk, Predetor)에 적용된 탄소섬유 복합재료는 수출허가(Expert License)품목으로 분류되어 국내 수입이 제한되고 있으며, 기 개발된 복합재료 물성값과 설계허용값 획득은 거의 불가능한 실정이다. 이러한 실정 하에서 항공기 1차구조물에 탄소섬유 복합재료를 적용하기 위하여 복합재료 설계개발시험을 수행하였다. 복합재료 설계개발시험은 MIL-HDBK-17 Building Block Approach에 따라 수행하였다. 시험은 물리적 특성시험과 기계적 특성시험으로 분류하여 약 8,000개 시편 시험을 하였다. 본 논문은 탄소섬유 복합재료 8,000개 시편 시험 중 단층의 인장/압축시험 및 전단특성시험 결과와 기계적 특성값과 설계허용값 개발내용을 포함하였다. High Modulus/Strength Carbon/Epoxy prepreg has been applied in the primary structure of aircraft since IM7/977-3(military aircraft, Cytec/USA) and T800H/3900-2(commercial aircraft, Toray/Japan) had been developed in 1990’s. Carbon/Epoxy composite materials which have been used in military aircraft (F-22, F-35 and Eurofighter), commercial aircraft (Boeing 787 and A350/A380) and UAV (Global Hawk and Predetor) were classified as Expert License. The distribution of both material properties and design allowable values have not been allowed to a foreign country. Under this situation the composite material DDT(Design Development Test) has been performed and the design allowable values as DDT results were applied to the primary structures of aircraft. The DDT has been performed according to MIL-HDBK-17 Building Block Approach. The tests were categorized by physical property tests and mechanical property tests with approximately 8,000 specimens. This report contained the mechanical properties and the design allowable values as results of the tensile/compression tests and in-plane shear property tests for Carbon/Epoxy composite lamina materials among 8,000 specimen tests.

RC보에 부착된 CFRP 플레이트의 동결융해에 의한 부착거동 연구

권규빈,이동주,김경민,권민호,김진섭 한국복합신소재구조학회 2020 복합신소재구조학회논문집 Vol.11 No.2

본 연구에서는 CFRP 복합재료 플레이트로 외부 보강된 철근콘크리트 보 구조물의 장기 거동 특성과 CFRP 복합재료 플레이트의 부착거동을 실험을 통하여 검토하였다. 장기 사용성을 고려하기 위하여 동결융해 시험법을 사용하였으며 4절점 휨 실험을 통하여 평가하였다. CFRP 복합재료 플레이트로 보강 후 동결융해를 진행한 시험체(FFCB)와 동결융해 후 CFRP 복합재료 플레이트로 보강한 시험체(LFCB)의 4절점 휨 실험 결과를 비교 분석하였다. LFCB 시험체가 FFCB 시험체 보다 조기에 CFRP 복합재료 플레이트의 박리가 발생하였으며, 파괴형태가 다르게 발생하였다. FFCB의 경우 콘크리트 커버가 탈락되었으며, LFCB의 경우 콘크리트의 표면의 탈락이 발생하였다. 동결융해의 영향을 받은 콘크리트 재료의 성질이 약화된 결과로 판단된다. 동결융해 실험을 통하여 콘크리트 공시체의 압축강도가 약 19% 감소하였으며. 이에 따라 콘크리트 커버부의 인장강도도 감소한 것으로 판단된다. 콘크리트 구조물에 대한 보강의 경우사용기간 및 환경변수 등을 고려하여, 콘크리트 보강표면에 대한 정확한 상태평가가 필요할 것으로 판단된다. This study investigated the long-term behavior of reinforced concrete beam structures reinforced with CFRP (Carbon Fiber Reinfored Polymer) composite plates and the adhesion behavior of CFRP composite plates. To consider long-term usability, the freeze-thawing test was used and evaluated using a 4-point bending test. The results of the 4-point bending tests were compared between the test specimens (FFCB) subjected to freezing and thawing after reinforcement with CFRP composite plates and the test specimens (LFCB) reinforced with CFRP composite plates after freezing and thawing. The CFRP composite plates on the LFCB test specimens delaminated earlier than that of the FFCB test specimens and the fracture patterns were different. In the case of FFCB, the concrete cover was dropped, and in the case of LFCB, the surface of the concrete was dropped. It seems that the properties of the concrete materials that are affected by freeze-thawing are weakened. The compressive strength of the concrete specimens was reduced by 19% through the freeze-thawing test, and accordingly, the tensile strength of the concrete cover part was also reduced. In the actual construction site, the concrete performance should fall short of the initial design performance because of long-term use and environmental effects in the concrete structure to be reinforced. Therefore, The concrete cover or reinforcement surface should be evaluated accurately.

스프레드 탄소섬유 직물 복합재료의 성형온도에 따른 기계적 특성에 관한 연구

은종현,곽재원,김기정,김민성,성선민,최보경,김동현,이준석 한국복합재료학회 2020 Composites research Vol.33 No.3

In this paper, we have studied the mechanical properties of thermoplastic carbon fiber fabric composites with spread technology and compression molding temperature were investigated. Carbon fiber reinforcement composites were fabricated using commercial carbon fiber fabrics and spread carbon fiber fabrics. Mechanical properties of the commercial carbon fiber composites (CCFC) and spread carbon fiber composites (SCFC) according to compression molding temperatures were investigated. Thermal properties of the polypropylene film were examined by rheometer, differential scanning calorimetry, thermal gravimetric analysis. Tensile, flexural and Inter-laminar shear test. Commercial carbon fiber reinforcement composites and spread carbon fiber composites were fabricated at 200~ 240°C above the melting temperature of the polypropylene film. Impregnation properties according to compression molding temperature of the polypropylene film were investigated by scanning electron microscopy. As a result, as the compression molding temperature was increased, the viscosity of the polypropylene film was decreased. The mechanical properties of the compression molding temperature of 230°C spread carbon fiber composite was superior. 본 연구에서는 스프레드 기술이 적용된 열가소성 탄소섬유 복합재료의 성형 온도에 따른 기계적 특성과폴리프로필렌 필름의 열적 특성에 대해 조사하였다. 스프레드 기술이 적용된 탄소섬유 직물과 범용 탄소섬유 직물로 탄소섬유 강화 복합재료를 제작하였고, 시차 열량 주사계(DSC), 열 중량 분석법(TGA), 점도계를 사용하여폴리프로필렌 필름의 열적 특성을 측정하였다. 인장, 굽힘, 층간 전단 실험을 통해 복합재료 성형 온도 조건에 따른 스프레드 탄소섬유 복합재료(SCFC)와 범용 탄소섬유 복합재료(CCFC)의 기계적 특성을 확인하였다. 폴리프로필렌 수지의 융점 이상인 200~240oC 구간에서 복합재료를 제작하였으며, 주사 전자 현미경(SEM) 분석을 통해 성형 온도 조건에 따른 열가소성수지의 함침성을 관찰하였다. 그 결과, 성형 온도가 증가함에 따라 폴리프로필렌 수지의 점도가 감소하여 함침성이 향상되었으며, 230oC 성형 온도 조건에서 기계적 특성이 가장 우수한 것을 확인하였다.

배터리 모듈의 경량화 및 품질 향상을 위한 선택적 복합재료 패치에 관한 연구

이승찬 ( Seung-chan Lee ),하성규 ( Sung Kyu Ha ) 한국복합재료학회 2019 Composites research Vol.32 No.1

본 연구에서는 전기 자동차의 주요 부품 중 하나인, Battery Module의 품질 Issue 및 부품특성 개선을 위해 복합재료를 사용하여 구조보강 하였으며, 단일소재의 단점을 극복할 수 있는 Hybrid 개념의 기구 구조 최적화를 수행하고 성능을 비교하였다. 이를 위해 고전 적층 판 이론(Classical Laminated Plate Theory, CLPT)에 따른 복합재료 주요 설계 변수 도출 및 복합재료 물성 예측 알고리즘에 대해 연구하였으며, 설계된 복합재료의 기계적 물성을 바탕으로 유한요소해석(FEM)을 통해 Battery Module의 성능을 검증하였다. 이를 통해 자동차 Battery 부품의 안정성 및 경량화 등의 부품 특성 개선 여부를 확인할 수 있었다. 최종적으로 검증결과에 따르면 Selective Composite Patch로 보강된 Hybrid Battery Module은 기존 Al Battery Module에 비해 30%의 중량 감소 및 제품 두께 32.5%를 줄일 수 있고, 충격 성능 유지 등 Hybrid 구조의 장점을 입증하였다. In this study, in order to improve the quality issue and component characteristics of the battery module, which is one of the major parts of the electric vehicle. The structure is reinforced by using the composite material and the mechanism structure optimization of Hybrid concept which can overcome the disadvantages of single material was performed and the performance was compared. For this purpose, figure out the main design variables of composite materials according to Classical Laminated Plate Theory (CLPT) and the algorithm for predicting composite material properties have been studied. Based on the mechanical properties of the designed composite materials, finite element analysis (FEM) and the performance of the battery module was verified. Consequently, according to the verification result, Hybrid Battery Module reinforced with Selective Composite Patch can reduce the weight by 30% and reduce the product thickness by 32.5% compared with the existing Al battery module and proved the merit of Hybrid structure such as maintaining impact performance.

복합재료 바닥판의 피로성능 평가에 관한 연구

김두환,박준석,金聖弼 한국방재학회 2013 한국방재학회논문집 Vol.13 No.1

최근 복합재료가 교량부재 제작에 사용되는 구조재료로서 관심을 받고 있다. 이는 기존의 건설재료에 비해 경랑재료이면서 내구성과 경제성이 우수하기 때문이다. 기존의 사용 중인 교량의 바닥판은 교면포장 및 신축이음장치와 함께 교량의 다른 부재에비하여 보수 빈도와 교체주기가 짧다. 이런 교량의 노후화와 바닥판의 부식으로 인한 사용성 및 안전성의 저하는 잦은 유지,보수 관리를 필요로 하고 있다. 건설에서 구조재료로서의 복합재료 사용은 이러한 문제점에 대한 해결방향을 제시하고 있다. 교량부재의 구조재료로서 복합신소재의 장점을 최대한 반영하고 예상되는 문제점을 해결할 수 있다면 복합재료는 교량바닥판의 내구성과 수명을 획기적으로 개선하고 최소의 유지관리를 필요하게 되므로 장기적으로는 생애주기비용을 감소시킬 수 있는 구조재료로서 활용 가능하다고 판단된다. 따라서, 본 논문에서는 복합재료인 FRP바닥판 부재의 섬유 적층방향에 따른 정적 및 피로성능을 평가하였다. Recently the compound material has been interested in using the structural material as the bridge member assembly. It is the lighter material against existing construction material and has excellent durability and economy. The existing floor of bridge has its short period to repair and replace compared to other parts of the bridge with the pavement and the shoe. These deteriorations of usage and safety by aging and corrosion are needed frequent maintenance. The use of compound material as a structural member suggests solve these problems. It is determined that if the bridge member is to reflect maximum the strong points of compound new material to solve the expected problems, the compound material can improve remarkably the life and durability of bridge floor plate bringing the least maintenance and be possible to use the structural material to reduce its life cycle cost in the long term. So this thesis evaluates the static and the fatigue performance for whether there are fiber lamination direction of FRP floor plate, the compound material.

점진적 파손해석을 이용한 탄소섬유강화 복합재료 볼트 조인트의 파손거동 예측

윤동현 ( Donghyun Yoon ),김상덕 ( Sangdeok Kim ),김재훈 ( Jaehoon Kim ),도영대 ( Youngdae Doh ) 한국복합재료학회 2021 Composites research Vol.34 No.2

복합재료를 활용하여 설계되는 구조물은 각 부품들의 조립, 체결부를 갖게 된다. 이러한 연결 또는 조인트는 구조에서 잠재적으로 취약 부분이 될 수 있다. 복합재료 볼트 조인트의 파손모드는 구조 안전성을 위해 베어링 파손모드로 설계된다. 베어링 파손모드로 파괴되는 복합재료 볼트 조인트의 하중-변위 관계는 초기 파손 발생 후 비선형 거동을 보이며, 점진적인 파손을 보인다. 이러한 비선형적이고 점진적인 복합재료 볼트 조인트의 파손거동을 정확히 예측하기 위해 본 연구에서는 기존의 파손해석 모델에서 전단 손상변수 계산 과정에 수정을 수행하였다. 수정된 파손해석 모델을 이용하여 복합재료 볼트 조인트의 베어링 응력-베어링 변형률 결과를 예측하였으며, 기존 수정되지 않은 해석모델과 비교를 통해 수정된 모델의 유효성을 입증하였다. Composite structures have components and joints. Theses connections or joints can be potentially weak points in the structure. The failure mode of the composite bolted joint is designed as a bearing failure mode for structural safety. The load-displacement relation exhibits bearing failure mode shows a nonlinear behavior after the initial failure and progressive failure behavior. In order to accurately predict the failure behavior of composite bolted joints, this study modified the shear damage variable calculation process in the existing progressive failure analysis model. The results of the bearing stress-bearing strain of the composite bolted joint were predicted using the modified progressive failure analysis model, and the modified model was verified through comparison with the previous progressive analysis model.

소형항공기용 복합재료 인증시험

이호성(Ho-Sung Lee),민경주(Kyung-Ju Min) 한국항공우주학회 2007 韓國航空宇宙學會誌 Vol.35 No.5

그동안 소형항공기에 사용하는 재료에 대해서도 대형항공기와 동일하게 요구하여 왔으나, 대형항공기 제조사에 비해 규모가 작은 소형항공기 제조사에서는 이 기준을 맞추기 위하여 많은 시험을 수행해야 하므로 큰 어려움을 겪어왔다. 최근 미국 FAA/NASA에서는 새로운 정책으로 요구조건을 변경하여 복합재 소형항공기를 인증하여 소형항공기 산업을 발전시키고 있다. 본 논문에서는 새롭게 바뀐 복합재료 인증 방법론에 대하여 설명하고, 예로서 이 방법을 사용하여 국산 350°F 탄소섬유/에폭시 복합재료의 설계허용값을 산출하였다. Since the introduction of advanced composite materials for use in aircraft, the material qualification has been a costly burden to the small airframe manufacturer. For each manufacturer, extensive qualification testing has often been performed to develop the base material properties and allowables at operating environmental conditions, regardless of whether this material system had been previously certificated by other manufacturers. In recent years, NASA, industry, and the FAA have worked together to develop a cost-effective method of qualifying composite material systems by the sharing of a central material qualification database. In this paper, the new methodology of composite material qualification is presented and material allowable of 350°F carbon fiber/epoxy composite material produced domestically is determined with this methodology.