고분자 압전센서 신호를 이용한 스마트 복합적층판의 충격 손상 규명

이홍영(Hong-Young Lee),김인걸(In-Gul Kim),박찬익(Chan Yik Park) 한국항공우주학회 2004 韓國航空宇宙學會誌 Vol.32 No.7

저속충격에 의한 복합재의 파손 모드를 규명하기 위하여 PVDF 센서를 이용한 신호취득 방법과 측정된 PVDF 센서 신호를 시간-주파수 분석법(time-frequency analysis)인 국소 퓨리에 변환 및 웨이블렛 변환을 적용하여 분석할 수 있는 실험적 절차에 대하여 고찰하였다. 고분자 압전센서를 이용하여 저속충격시 발생할 수 있는 여러 충격손상 형태- 모재균열, 충간분리, 섬유파단-에 의한 응력과 측정 가능성을 고찰하기 위하여 일련의 저속충격 시험을 수행하였다. 충격 시험 후, 저속 충격을 받은 적층판에 대하여 C-scan과 단면 검사를 통하여 센서 신호, 손상 모드 및 크기에 대한 상관관계를 고찰하였다. 센서신호의 취득과 신호분석을 통하여 저속충격의 발생/진행과정을 알 수 있는 많은 중요한 정보가 PVDF 센서신호에도 내재되어 있음을 알 수 있으며 PVDF 센서 신호를 주의깊게 분석함으로써 저속 충격에 의한 복합재료의 손상 모드 규명이 가능하며 저속충격 위협에 대한 복합재 구조물의 건전성 모니터링에 활용할 수 있는 가능성을 제시하였다. An experimental procedure to identify failure modes of impact damage using sensor signals and to analyze their general features is examined. A series of low-velocity impact tests from low energy to damage-induced high energy were performed on the instrumented drop weight impact tester to monitor the stress wave signals due to failure modes such as matrix cracking, delamination, and fiber breakage. The wavelet transform(WT) and Short Time Fourier Transform(STFT) are used to decompose the piezoelectric sensor signals in this study. The extent of the damage in each case was examined by means of a conventional ultrasonic C-scan. The PVDF sensor signals are shown to carry important information regarding the nature of the impact process that can be extracted from the careful signal processing and analysis.

충격시 CFRP 복합재 판의 거동과 충격후 압축강도에 관한 실험적 연구

이정환 ( Lee Jeong Hwan ),공창덕 ( Gong Chang Deog ),( Soutis C ) 한국복합재료학회 2003 Composites research Vol.16 No.4

충격 시나 충격 후 압축 할 때 구조용 복합재의 거동에 대한 중요성은 충격 손상과 충격후압축강도 예측에 대한 해석적 모델을 개발하기 위해 간과될 수 없을 것이다. 본 연구는 3㎜두께의 [45/-45/0/90]_(3s)-IM7/8552복합재판들을 이용하여 준정적횡하중시험, 저속충격시험, 충격후압축강도시험 및 구멍이 있는 시편의 압축강도시험 등을 수행한 후 이로부터 발견된 결과들을 제시하였다. 준정적횡하중과 충격하중시험에서 발생한 손상면적들이 서로 유사하며, 또한 5.4 J부터 18.7J 까지의 다양한 에너지준위들을 가진 낙하충격 시험 곡선들과 정격시험 곡선들도 서로 유사하다는 결론을 얻었으며, 이때 주어지 에너지 준위에서 정적 과 충격시의 최대하중 값들이 잘 일치한다는 사실을 확인 하였다. 충격후 압축시험에 의한 시편들이 파괴거동이 압축하중하의 구멍이 있는 적충판에서 관찰된 파괴거동과 매우 유사하다는 사실도 확인 되었다. 충격손산 후 잔류강도는 충격손상 등 가구멍이 있는 경우의 시편에서 측정된 압축 강도와 잘 일치하였다. 이와 같은 실험적 연구 결과들을 충격손상면적과 충격후압축강도의 예측에 대한 단순한 해석모델들이 이들 시험결과들로부터 관찰된 파괴기구를 기초로 하여 개발될 수 있음을 제시하고 있다. The importance of understanding the response of structural composites to impact and CAI cannot be overstated to develop analytical models for impact damage and CAI strength predictions. This paper presents experimental findings observed from quasi-static lateral load tests. low velocity impact tests. CAI strength and open hole compressive strength tests using 3 mm thick composite plates([45/-45/0/90]_(3S) - IM7/8552). The conclusion is drawn that damage areas for both quasi-static lateral load and impact tests are similar and the curves of several drop weight impacts with varying energy levels(between 5.4 .I and 18.7 J ) follow the static curve well. In addition, at a given energy the peak force is in good agreement between the static and impact cases. It is identified that the failure behaviour of the specimens from the CAI strength tests was very similar to that observed in laminated plates with open holes under compression loading. The residual strengths arc in good agreement with the measured open hole compressive strengths. considering the impact damage site as an equivalent hole. The experimental findings suggest that simple analytical models for the prediction of impact damage area and CAI strength can be developed on the basis of the failure mechanism observed from the experimental tests.

사용후핵연료 수송용기 충격완충체에 적용되는 발사목과 우레탄 폼의 기계적 특성 및 저속충격특성 평가 연구

구준성(JunSung Goo),신광복(KwangBok Shin),최우석(WooSuk Choi) 대한기계학회 2012 大韓機械學會論文集A Vol.36 No.11

본 논문의 목적은 사용후핵연료 수송용기 충격완충체의 완충재질로 고려되고 있는 발사목과 우레탄 폼 심재, 그리고 샌드위치 패널에 대한 저속충격거동 및 기계적 특성을 평가하는 것이다. 우레탄 폼은 등방성 재질로써 인장, 압축, 그리고 전단의 기본물성시험을 수행하였으며, 발사목은 서로 다른 직교방향에서 다른 물성을 갖는 이방성 재료이므로 아홉가지 방향에 대한 기계적 특성 평가를 하였다. 충격시험용 심재와 샌드위치 패널 시험편은 충격시험기를 사용하여 세가지 충격에너지 레벨(1J, 3J, 그리고 5J)에 대한 저속충격시험을 수행하였다. 시험 결과, 우레탄 폼과 성장방향을 제외한 발사목은 충격에너지 흡수율, 접촉하중, 그리고 손상영역에서 유사한 거동을 보였으며, 우레탄 폼 심재는 난연성과 비용절약이 우선시 되는 설계에서 완충재질로서 추천될 수 있고, 발사목 심재는 사용후핵연료 수송용기의 경량화를 위한 완충재질로써 우선 고려될 수 있다. This paper aims to evaluate the low-velocity impact responses and mechanical properties of balsa-wood and urethane-foam core materials and their sandwich panels, which are applied as the impact limiter of a nuclear spent fuel shipping cask. For the urethane-foam core, which is isotropic, tensile, compressive, and shear mechanical tests were conducted. For the balsa-wood core, which is orthotropic and shows different material properties in different orthogonal directions, nine mechanical properties were determined. The impact test specimens for the core material and their sandwich panel were subjected to low-velocity impact loads using an instrumented testing machine at impact energy levels of 1, 3, and 5 J. The experimental results showed that both the urethane-foam and the balsa-wood core except in the growth direction (z-direction) had a similar impact response for the energy absorbing capacity, contact force, and indentation. Furthermore, it was found that the urethane-foam core was suitable as an impact limiter material owing to its resistance to fire and low cost, and the balsa-wood core could also be strongly considered as an impact limiter material for a lightweight nuclear spent fuel shipping cask.

탄소섬유 강화 복합재로 구성된 인라인 디스크 휠의 충격거동 평가

권혜인 ( Hye In Kwon ),이상진 ( Sang Jin Lee ),신광복 ( Kwang Bok Shin ) 한국복합재료학회 2016 Composites research Vol.29 No.2

본 연구에서 다루는 탄소섬유 복합재 인라인 휠은 플라스틱 인라인 휠 허브의 기존 재질을 탄소섬유 직물/에폭시 수지로 구성된 디스크 형의 허브로 대체하는 것이다. 지면으로부터의 충격 하중은 탄소섬유 복합재 휠의 충격 성능 평가를 위해 저속 충격 시험이 수행되었고, 기존의 플라스틱 휠의 성능과 비교하여 수행되었다. 본연구는 시험 조건으로 70 J의 충격 하중을 적용하였다. 충격 에너지는 타격 추의 높이와 무게를 조정하여 조절되었다. 탄소섬유 복합재 디스크 허브의 사용은 무게를 절감하고 실제 운행 조건과 유사한 조건인 낮은 충격에너지에서 우수한 반발력을 나타내는 것으로 확인되었다. 충격 하중에 따라 최대 하중은 비례적으로 증가하지만, 최대하중의 성장은 20 J 충격 하중에서 감소되었고, 45 J 충격 하중에서부터 감소되는 경향의 결과를 보였다. 탄소섬유복합재 휠은 5 J, 10 J의 충격 하중에서 전체 충격 에너지의 35.3, 19.1%가 리바운딩 되는 우수한 특성을 보였다. 반면에 20 J 이상의 충격하중에 대해서는 얇은 탄소섬유 복합재 허브의 크랙 생성으로 인해 전체 에너지의 5% 이하로 리바운드 되었다. In this paper, The concept of a wheel with carbon fiber composite is to replace the conventional material used for a wheel hub, such as plastic, with a disk-type hub made of carbon fabric and epoxy resin. The impact load from the ground under real conditions was considered; a low-velocity impact test was conducted to evaluate the impact performance of the carbon wheel and compare it with that of a conventional plastic wheel. This study applied a 70 J impact load as a test condition. The impact energy was controlled in the test by adjustment of height and weight of impactor. The use of a carbon disk wheel hub was confirmed to reduce weight and generate an excellent repulsive force at low energy under conditions similar to real driving conditions. The results showed that the maximum load increased proportionally depending on the impact load, but the growth of the maximum load was reduced at a 20 J impact load and tended to decrease at a 45 J impact load. The carbon wheel showed excellent properties ; the level of rebounding was 35.3% and 19.1% of the total impact energy at impact loads of 5 J and 10 J, respectively. On the other hand, the carbon disk wheel rebounded less than 5% of the total energy due to crack generation of the thin carbon hub for impact loads of more than 20 J.

저속충격에 의한 복합재료 적층판의 손상

안석환(SEOK-HWAN AHN),김진욱(JIN-WOOK KIM),도재윤(JAE-YOON DO),김현수(HYUN-SOO KIM),남기우(KI-WOO NAM) 한국해양공학회 2005 韓國海洋工學會誌 Vol.19 No.1

The study investigated the nondestructive characteristics of damage, caused by low-velocity impact, on symmetric cross-ply laminates, composed of [0o/90o]16s, 24s, 32s, 48s. The thickness of the laminates was 2, 3, 4 and 6 ㎜, respectively. The impact machine used, Model 8250 Dynatup Instron, was a drop-weight type that employed gravity. The impact velocities used in this experiment were 0.75, 0.90, 1.05, 1.20 and 1.35 m/sec, respectively. Both the load and the deformation increased when the impact velocity was increased. Further, when the load increased with the laminate thickness in the same impact velocity, the deformation still decreased. The extensional velocity was quick, as the laminate thickness increased in the same impact velocity and the impact velocity increased in the same laminate thickness. In the ultrasonic scans, the damaged area represented a dimmed zone. This is due to the fact that the wave, after the partial reflection by the deflects, does not have enough energy to touch the opposite side or to come back from it. The damaged laminate areas differed, according to the laminate thickness and the impact velocity. The extensional velocities are lower in the 0o direction and higher in the 900 direction, when the size of the defect increases. However, it was difficult to draw any conclusion for the extensional velocities in the 45o direction.

저속충격시험을 이용한 고체추진제의 동적 응력-변형률 특성 연구

황재민(Jae-Min Hwang),고은수(Eun-Su Go),조현준(Hyun-Jun Jo),김인걸(In-Gul Kim),김재훈(Jae-Hoon Kim) 한국항공우주학회 2021 韓國航空宇宙學會誌 Vol.49 No.10

본 연구에서는 고체추진제의 동적 응력-변형률 특성을 고찰하기 위하여 저속충격시험을 수행하였다. 저속충격시험 시 충격체(Impactor)의 하중, 변위를 측정하여 고체추진제의 동적 거동을 확인하였다. 3점 굽힘 형태의 저속충격시험을 수행하였고, 이때 발생하는 국소변위와 길이가 짧고 두께가 두꺼운 고체추진제 시편의 전단 변위를 보상하여 순수 굽힘변위를 계산하였다. 보상된 변위와 측정된 하중을 사용하여 응력과 변형률을 계산하였고 응력-변형률 곡선으로부터 고체추진제의 동적 물성을 획득하여 이를 정적 굽힘 물성과 비교하였다. 운용 환경에 따른 온도별 고체추진제의 동적 물성을 획득하기 위해 상온, 고온, 저온에서 실험을 수행하고 결과를 비교분석하였다. In this study, a low-velocity impact test was performed to obtain the dynamic properties of solid propellants. The dynamic behavior of the solid propellant was examined by measuring the force and displacement of the impactor during the low-velocity impact test. The bending displacement was calculated by compensating for the local displacement caused by the low-velocity impact test in the form of three point bending and the shear displacement caused by using a short and thick solid propellant specimen. Stress and strain were calculated using compensated displacements and measured force, and dynamic properties of solid propellants were obtained from the stress-strain curve and compared with static bending test. The dynamic properties of solid propellant under the low-velocity impact loading at various operating temperature conditions such as room temperature(20 ℃), high temperature(63 ℃), and low temperature(-32 ℃) were compared and investigated.

알루미늄과 유리섬유 하니컴 구조의 저속 충격 거동

김진우 ( Jin Woo Kim ),원천 ( Cheon Won ),이동우 ( Dong Woo Lee ),김병선 ( Byung Sun Kim ),배성인 ( Sung In Bae ),송정일 ( Jung Il Song ) 한국복합재료학회 2013 Composites research Vol.26 No.2

본 연구는 동일한 코어재를 가지는 알루미늄과 유리섬유의 하니컴 샌드위치 판넬의 저속 충격시 발생하는 충격 거동 및 압축 실험을 통하여 압축 강도와 압축 계수를 살펴본다. 저속 충격을 받는 하니컴의 충격 거동을 살펴보기 위하여 중량 낙하식 충격 시험을 실시하며, 충격을 가한 후 데이터 분석 및 현미경을 통하여 전형적인 충격파손모드와 손상정도를 비교 평가하였다. 동일한 충격에너지일 때 유리섬유 하니컴 샌드위치 판넬이 알루미늄 하니컴 샌드위치 판넬보다 최대 하중이 높고, 탄성 에너지가 크며, 충격 강도가 높은 것을 확인할 수 있었다. In this study, impact behavior of aluminium and glass-fiber structure is studied under low impact velocity. Compression test is carried out to investigate the compressive strength of the specimens. The degree of damage is observed using microscopy and compared with the experimental analysis data. The maximum load capacity, impact strength and elastic energy of glass-fiber honeycomb sandwich panel are more than the aluminium honeycomb sandwich panel.

저속 충격하중에서의 FRP Sheet 및 강섬유 보강 콘크리트의 거동 해석

이진영,김미혜,민경환,윤영수 한국구조물진단유지관리공학회 2011 한국구조물진단유지관리공학회 논문집 Vol.15 No.4

충격 하중 재하 실험의 경우 빠른 하중 재하 속도로 인해 실험 데이터를 측정하는 방법에 있어 많은 어려움이 있다. 또한 부재의 국부적 손상을 측정하지 못함으로써 부재의 동적 거동을 왜곡하는 문제점이 존재한다. 따라서, 본 연구에서는 충격 실험에서의 한계를 극복하기 위하여 명시적(explicit) 유한요소 해석 프로그램인 LS-DYNA를 이용하여 FRP Sheet 및 강섬유로 보강된 콘크리트의 저속 충격 하중 하에서의 동적 거동을 분석하였다. 해석 모델은 1방향 및 2방향 부재이며 충격 하중 재하 시 부재의 국부적 파괴를 고려하고 있다. 해석결과 강섬유에 의해 보강된 SFRC와 UHPC 부재의 경우 충격 저항성능이 크게 향상되었다. FRP Sheet로 보강한 경우 GFRP가 CFRP보다 우수한 충격 저항 성능을 보였으며 FRP Sheet의 방향성에 의한 영향은 크게 나타나지 않았다. 본 연구에서 수행된 해석은 충격 실험 결과와의 비교를 통해 그 신뢰성이 검증되었다. In the case of impact loading test, measurement of the test data has difficulties due to fast loading velocity. In addition, the dynamic behaviors of specimens are distorted by ignoring local fracture. In this study, therefore, finite element analysis which considers local fracture and strain rate effect on impact load was performed by using LS-DYNA, an explicit analysis program. The one-way and two-way specimens strengthened with FRP Sheets and steel fibers were considered as analysis models. The results showed that the impact resistance of steel fiber reinforced concrete (SFRC) and ultra high performance concrete (UHPC) was enhanced. In the case of specimens strengthened with FRP Sheets, GFRP was superior to CFRP in the performance of impact resistance, and there was little effect of the FRP Sheet orientation. The reliability of this analysis model was verified by comparing with previous experimental results.

필라멘트 와인딩 공법으로 제작한 탄소섬유/에폭시 복합소재 평판의 저속낙하 충격시험 시뮬레이션에 관한 연구

변종익,김종열,허석봉,김한상 한국수소및신에너지학회 2018 한국수소 및 신에너지학회논문집 Vol.29 No.2

Carbon fiber/epoxy composites are typical brittle materials and have low impact properties. Recently, it is important to investigate impact characteristics of carbon fiber composites because of increasing use as automobile parts and high pressure hydrogen vessels of fuel cell electric vehicles for light weight. In this study, the low velocity impact properties of carbon fiber/epoxy composites fabricated by a filament winding method are studied. The low velocity impact properties were measured by performing tests according to ASTM D7136. The low velocity impact simulations were carried out using commercial structural analysis software, Abaqus. The absorbed energy and the delamination shapes were compared between the experimental and simulation results. The numerical analysis method showed that the absorbed energy decreased with the reduced number of cohesive elements in the composite models.

하이브리드 복합재 철도차량 차체 적용 적층판의 충격특성 연구

이재헌(Jae-Heon Lee),이동선(Dong-Sun Lee),김정석(Jung-Seok Kim),엄기염(Ki-Young Yeom),정성균(Seong-Kyun cheong) 대한기계학회 2005 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2005 No.11

Impact damages are very important in the perspective of residual strength of composite structures such as aircrafts, ships, and trains because those damages are sometimes not visible on the surface of the point of impact and the impact resistance of laminated composites is usually not so high. Thus, the impact characteristics of laminated composites should be investigated for the safety of composite structures. This paper investigates the low-velocity impact and compression-after-impact (CAI) characteristics conducted on woven carbon/epoxy laminates. Experimental results show that the energy absorption ratio and compressive residual strength greatly depend on the impact energy. The delamination shape of woven carbon/epoxy laminates was found to be circular.