경량화용 모자형 CFRP 차제부재의 정적 축압축강도

Abstract

ABSTRACT

The Axial Compression Strength of CFRP Hat Member for Lightweight Structural Materials

Seon, Min-Soo Advisor : Prof. Yang, In-Young, Ph. D. Dept. of Automotive Engineering Graduate School of Industrial Technology

The ability to protect passengers on an automobile accident depends on the condition of the collision, structural integrity, etc. The front-end members of vehicles must absorb the impact energy effectively to ensure passenger’s safety in front-end collision. Therefore, the designing vehicles should be more concerned on the aspect of securing safety performance, the while, it also should consider reducing weight of vehicle structural member. CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastics) of the advanced composite materials as structure materials for vehicles, has a widely application in lightweight structural materials of air planes, ships and automobiles because of high strength and stiffness. However, CFRP composite materials have the weakness in hygrothermal environment and shock resistance. Especially, moisture ingress into composite material under hygrothermal environment can change molecule arrangement and chemical properties. In addition, interface characteristics and component material properties can be degraded. In the study, experimental investigations are carried out for CFRP side members in order to study the effect of various stacking condition and shape of section in hygrothermal environment. Collapse tests were performed with change of the stacking condition, such as fiber orientation angle, interface

number. Collapse mode and energy absorption characteristics were analyzed. To understand moisture absorption behavior and strength degradation of CFRP hat-shaped section member by moisture impregnation, moisture absorption test and static/collision collapsing test was conducted. Following the above study, conclusions are drawn as below;

1. The CFRP side member was collapsed according to the different orientation angles by compounding of the 4 different modes: transverse shearing, laminar bending, brittle fracture, and local buckling. When the fiber orientation angle is small, the member absorbed energy by laminar bending. 2. As the changes of interface number, the moisture absorption behavior showed that the initial moisture absorption rate increased more in case of the CFRP side members with tick fiber direction wich has 2 interface. The moisture absorption rate is very high. 3. For the hygrothermals in CFRP hat side members, at approximately 0.5% ∼ 1.0% of moisture absorption rate, Also, The moisture absorption characteristics depend on the stacking sequences in the CFRP hat side members. 4. Collapse shapes for moisture absorbed CFRP hat side members and the one without moisture absorption displayed the weakening of bonding strength between interfaces due to initial deterioration of CFRP. In addition, collapsed shape and mode for moisture absorbed CFRP hat side members exhibited more stabilized collapsing mode. Strength of moisture absorbed CFRP hat side members was reduced by 10% ∼ 15% from the one without moisture absorption. | CFRP 재는 충격하중을 받으면 충격손상, 파손, 흡수에너지, 섬유 및 기지의 파단이 발생하기 때문에 이물충격에 의한 손상에 매우 취약한 단점을 가지고 있다. CFRP 부재가 충격하중을 받으면 섬유로 강화된 면내 강도에 비해 층간의 강도가 현저히 낮아진다. 따라서, 차량의 설계 단계에서는 차량 전체의 전면 충돌을 예측기 전에 사이드부재와 같이 충돌시 에너지흡수가 크고, 간단한 구조부재에 대해서 압궤거동과 에너지흡수특성을 정확히 파악 하는 것이 중요한 문제이며, 자동차 충돌시 승객의 안전을 보호할 공간 확보를 위한 승객실 구조물의 충분한 강성 및 안전성을 확보하고, 충돌시 많은 에너지를 흡수할 수 있는 최적의 충격특성을 갖는 구조부재를 개발하여야 한다. 본 연구에서는 모자형 단면의 형상을 갖는 CFRP 구조부재를 경량화 차체구조부재로 상용화 할 것을 상정하여, 모자형 단면형상의 CFRP 구조부재의 적층각도의 변화와 고온고습상태에서 충돌이 가해질 경우의 축압궤특성 및 압궤 모드에 관해 정량적으로 고찰함으로써 최적의 경량화용 자동차 구조부재를 개발하는데 적용 가능한 설계데이터를 얻고자 한다. 연구방법으로는 CFRP 복합재의 우수한 기계적 특성을 기대할 수 없는 가혹한 환경을 실험적으로 설정한 열습 상태에서 정적 압궤실험을 통한 흡습 유무 및 적층각 변화 및 계면수의 변화에 따른 강도저하 현상을 실험적으로 평가하였다. 제 1 장에서는 본 연구와 관련된 경량화자동차, 우주항공분야등의 국제적인 연구동향, 연구 목적 및 연구방법에 관하여 기술하였고, 제 2 장에서는 섬유강화 복합재 박육부재에 축 압축하중이 작용 시 발생하는 압궤형상인 횡방향전단 압궤모드, 라미나 굽힘 압궤모드 및 취성파괴 압궤모드와 국부좌굴 압궤모드의 조합등을 알수 있도록 압궤모드에 의해 흡수되어지는 에너지를 역학적으로 해석하고, 각 압궤모드의 조합으로 발생되는 복합재 박육부재의 평균압궤응력을 수식화 한 압궤이론을 서술하였다. 제 3 장에서는 모자형 단면 형상을 갖는 CFRP시험편의 축압축하중에 가장 에너지를 많이 흡수 할 수 있는 최적의 적층법, 오토클레이브법에 의한 진공성형법, 고온고습 상태에서의 모자형 CFRP시험편의 최외층 적층각도의 변화에 따른 흡습특성 실험 및 축압궤실험 방법에 대하여 기술하였고, 제 4 장에서는 최외층 적층각도 변화와 계면수의 변화에 따른 모자형 단면 형상을 갖는 CFRP시험편의 고온 고습상태에서의 흡습율의 변화, 잔류강도의 저하현상 및 압궤모드에 관해 고찰하였다. 제 5 장에서는 모자형 단면형상의 CFRP 구조부재의 최외층 적층각도 변화와 계면수의 변화와 고온고습상태에서 축압축 하중이 가해질 경우의 정적압 궤특성 및 압궤 모드에 관해 정량적으로 고찰한 연구결과를 나타냈다.

본 연구에서 실험적으로 설정한 가혹한 환경으로는 고온과 수분이 작용하는 열습 환경상태를 유지하기위해 항온항습기를 사용하여 온도와 습기가 오랜 시간 유지가 되는 열습실험을 실시하였고, 흡습된 후의 CFRP 모자형 단면부재를 대상으로 정적 압궤실험과 충격 압궤실험을 실시하였다. 열습실험은 항온수조 내부의 온도를 CFRP 복합재의 매트릭스 변화가 가장 적으며 실제 차량의 구조부재로 사용할 것을 가정하여 차량의 엔진룸 내부의 고온 환경으로 평가될 수 있는 60℃로 설정하였고, 온도와 수분이 항상 일정하게 유지가 되도록 하였다.