CFRP 구조부재의 충격압궤 특성평가를 위한 유한요소해석 평가기법 연구

Abstract

CFRP is not only an improvement in fuel efficiency through vehicle weight reduction but also a high proportion of materials in the development of Future Eco vehicles. Therefore, technology development and application and research of new materials are actively proceeding. In this study, tensile, compressive and shear test specimens are prepared according to ASTM standard to obtain basic properties.Then, the experimental data necessary for predicting the physical properties of composite materials are obtained. Also, through the FEM, impact crushing analysis was performed according to the change of the interface numbers of 2, 3, 6, 7 when the outermost angles of the circular CFRP structural members were 0 ° and 90 °, respectively. through this study, the FEM method for evaluating the impact collapse characteristics of CFRP structural members was studied by comparing the load - displacement diagrams based on the actual experimental data of CFRP and the load - displacement diagrams using the FEM.

1. The CFRP composite material properties were obtained by numerical analysis using the micro-mechanics theory based on the basic properties of the material test, and the validity was confirmed by comparing with the actual experimental DATA.

2. The material properties obtained by numerical analysis can be used as material properties by inputting into FEM. The changed material properties were applied during each analysis during the damage behavior of the CFRP structural members due to external forces. Using the failure theory of Tsai-Wu, Tsai-Hill, and Hashin, the results were almost similar to those of the experimental results.

3. The results of the FEM showed a similar or somewhat higher peak load and average load when compared with the experimental results in the case of the outermost orientation angle of 90 °. In the FEM, the fibers in the outermost orientation plane are constrained to be connected to each other after rotating around the cylinder. However, in the actual experiment, it is considered that the test value of the maximum load appears to be low because the fibers are made to be broken when the fibers are stacked on the cylinder during the production of the test piece.

4. In the case of the outermost orientation angle of 0 °, the maximum / mean load increases slightly with the increase of the number of interfaces, but in the FEM, the maximum / mean load increase increases rapidly as the number of interfaces increasesis. It is considered that the fracture behavior of the outermost stacking portion is determined by the strength of the outermost layer matrix only when the outermost orientation angle of the circular cross-sectional structural member is 0 °, but the influence of the fibers is almost zero. Accordingly, if the number of interfaces is small, the number of outermost orientation increases and the strength decreases. If the number of interfaces increases, the number of plys in the outermost orientation decreases and the strength increases.

5. In the case of impact collapse of circular CFRP structural members, the FEM and experiment showed that the outermost orientation angle was 90 ° higher than that of 0 °. As a result, it was found that the outermost orientation angle was 90 ° and the case of 3 ~ 6 interface showed excellent characteristics.

6. As a result, material properties acquisition method, the FEM method, material property input method and material property update method for finite element analysis of CFRP structural members were derived. In addition, the validity of the FEM was verified by confirming similar results to the experimental results in the FEM by applying the composite failure theory.|CFRP는 차량 경량화를 통한 연비 개선뿐만 아니라 친환경 미래 자동차 개발에서 소재 분야가 차지하는 비중이 높기 때문에 기술개발과 신소재의 적용 및 연구는 활발하게 진행되고 있다. 본 연구에서는 기초물성을 획득하기 위해서 ASTM 규격에 따라 인장, 압축, 전단 시험편을 제작하여, 복합재료 물성예측에 필요한 실험DATA를 획득한다. 이후 CFRP 물성을 예측할 수 있는 섬유와 수지의 물성을 이론식에 의해 구하고, 이를 바탕으로 정확도 검증을 위해 유한요소해석 프로그램를 이용하여 실험DATA와 비교함으로써 유한요소해석기법의 신뢰성을 확보하고 유한요소 해석의 가능여부를 확인하였다. 또한 유한요소해석 프로그램을 통하여 원형 CFRP 구조부재의 최외각이 각각 0°, 90°일 때의 2, 3, 6, 7의 계면수의 변화에 따른 충격압궤 해석을 실시하였다. 이를 통하여 CFRP의 실제 실험DATA에 의한 하중-변위선도와 유한요소 해석프로그램을 이용한 하중-변위선도를 비교함으로써, CFRP 구조부재의 충격압궤 특성을 평가하기 위한 유한요소해석 평가 기법을 연구하였으며, 결론은 다음과 같다. 1. 재료 시험을 통해 획득한 기초 물성을 토대로 Micro-Mechanics 이론을 이용한 수치해석을 통하여 CFRP 복합재료 물성을 획득할 수 있었고, 실제 실험치와 비교하여 타당성을 확인하였다.

2. 수치해석을 이용하여 획득한 재료물성을 유한요소해석에 입력하여 재료물성으로 활용 가능하였으며, 외력에 의한 CFRP 구조부재의 손상거동 시 매 해석 Cycle마다 변화된 재료물성을 적용하였고, Tsai-Wu, Tsai-Hill, Hashin 복합재료 파손이론을 사용하여 실험결과와 거의 유사한 결과를 유한요소법을 통하여 해석할 수 있었다.

3. 최외적층각이 90°인 경우에 유한 요소해석 결과를 실험결과와 비교했을 때 대체로 유사하거나 다소 높은 최대하중 및 평균하중을 보였다. 이는 유한요소해석 시에는 최외적층면에 있는 섬유가 원통주위를 회전한 후 서로 연결되어 있는 것으로 구속되지만, 실제 실험에서는 시험편 제작 시 섬유가 원통에 적층할 때 서로 끊어진 형태로 제작되기 때문에 최대하중의 실험치가 낮게 나온 것으로 사료된다.

4. 최외적층각이 0°인 경우의 실험결과에서는 계면수 증가에 따른 최대/평균하중이 약간 증가하나 유한요소해석결과는 실험결과와 비교하여 급격하게 증가하는 것을 알 수 있다. 이는 원형단면 구조부재의 최외적층각이 0°인 경우 최외적층 부분의 파괴거동은 섬유가 외측으로 확장하는 Lamina 굽힘으로 인해 최외적층면 수지의 강도에 따라 최외적층부 수지의 강도에 의해 결정될 뿐 섬유의 영향은 거의 없는 것으로 보인다. 이에따라 계면수가 적어지면 최외층 ply수가 많아져 강도는 저하하고, 계면수가 증가하게 되면 최외적층각부의 ply수가 줄어들어 강도는 증가하게 되는 것으로 보인다.

5. CFRP 원형단면 구조부재의 충격압궤의 경우 유한요소해석 및 실험에서 최외적층각이 90°인 경우가 0°인 경우보다 대체적으로 높은 강도를 보였으며, 계면수 변화에 따른 강도의 변화도 적은 것으로 나타났고, 이러한 결과로 최외적층각이 90°이며 계면수가 3 ~ 6계면인 경우가 우수한 특성을 보이는 것을 알 수 있었다.

6. 이와 같은 결과 CFRP 구조부재의 유한요소해석을 위한 재료물성 획득방법, 유한요소해석 시 재료물성 입력 및 재료 거동에 따른 재료물성 적용방법을 도출하였다. 또한 복합재 파손이론 적용을 통한 유한요소해석에서 실험결과와 유사한 결과를 확인하여 유한요소해석을 통한 평가법의 타당성을 확인할 수 있었다.