수송기계 경량화용 Al/CFRP 구조부재의 압궤특성

Abstract

알루미늄과 CFRP 구조부재는 대표적인 경량화 재료이지만 압궤 메카니즘은 상이하다. 두 부재가 축 방향의 하중을 받을 때, 알루미늄부재는 안정적인 소성변형에 의해서 에너지를 흡수하지만 CFRP부재는 높은 비강성 및 비강도에 의한 불안정적인 취성파괴에 의해 에너지를 흡수한다. 본 논문에서는 이러한 알루미늄과 CFRP 구조부재의 장점을 조합하여 알루미늄 부재의 외면을 CFRP(Carbon Fiver Reinforced Plastics)로 감싼 Al/CFRP 구조부재를 제작하였다. 알루미늄과 CFRP 구조부재의 압궤 특성을 각각 기초로 하여 Al/CFRP 구조부재의 정적 및 충격 압궤실험을 하였다. 특히 CFRP는 적층각도와 적층두께 등의 변화에 따라 물리적 특성이 변하는 이방성재료이므로 Al/CFRP 구조부재의 적층각도와 적층두께의 영향에 대하여 고찰하였다. 실험 결과는 다음과 같다. 1. Al/CFRP 부재의 압궤모드는 정적 및 충격압궤 하에서 비슷한 경향을 보였으며, 내부 Al 부재의 압궤의 영향으로 CFRP 부재의 불안한 취성파괴의 단점이 보완된 비교적 안정적인 압궤모드를 보였다. Al/CFRP 원형 및 사각부재는 각각 4가지 대표적인 압궤모드를 보였는데, 압궤모드가 에너지흡수 특성을 나타내는 중요한 척도가 되었다. 2. 단위체적당 흡수에너지는 원형 및 사각 모두 Al 부재와 Al/CFRP 부재가 CFRP 부재에 비하여 높았다. 그러나 경량화 차원에서 보면, 단위질량당 흡수에너지는 Al/CFRP 부재가 Al 부재와 CFRP 부재에 비하여 높았다. 이와 같은 결과는 축 하중을 받는 부재에 Al/CFRP 부재를 사용할 경우 경량화 효과가 크다는 것을 의미한다. 또한, 원형부재가 사각부재에 비하여 에너지 흡수에 유리하였다. 3. Al/CFRP 부재는 정적 및 충격압궤 하에서 모두, CFRP 적층각이 클수록 에너지흡수에 유리한 특성을 보였다. 즉, 적층각이 90°에서 가장 효과적인 에너지흡수 특성을 보였다. 가장 우수한 에너지흡수 특성을 보인 90°로 최외층각의 변화에 대한 영향을 보면, 원형 및 사각부재 모두 최외층각이 90°인 +90°/-90°와 90°/0°의 적층각을 갖는 Al/CFRP 부재가 우수한 압궤특성을 보임을 알 수 있다. 4. Al/CFRP 사각부재는 CFRP의 두께의 증가에 따라 접힘 길이가 커지면서 안정적으로 하중이 더 높아진 후에 압궤가 이루어지기 때문에 효과적으로 경량화를 이루 수 있다. 그러나 Al/CFRP 원형부재는 CFRP 두께의 증가에 따라 어느 정도 경량화효과를 이룰 수 있으나, CFRP 두께가 어느 한계 이상이 되면 내부 알루미늄 부재와 CFRP 부재의 장점에 대한 상승효과가 감소하면서 CFRP 부재의 압궤특성에 의해 주로 에너지를 흡수하기 때문에 압궤특성이 저하될 수 있다.|In this study, the Al/CFRP structural members which are composed of square or circular shaped Al members wrapped with CFRP (Carbon Fiber Reinforced Plastics) outside were manufactured to get a synergy effect when the Al/CFRP member is combined with the advantages of each members, such as energy absorption by the stable folding deformation of the Al member and by the high specific strength and stiffness of the CFRP member. Based on the respective collapse characteristics of Al and CFRP members, the axial static and impact collapse tests were performed for the Al/CFRP members. Because the CFRP is an anisotropic material whose mechanical properties, such as strength and elasticity, are changed with its fiber orientation angle and number of ply, special attention was given to the effects of the fiber orientation angle of CFRP and the number of ply on the collapse characteristics of the Al/CFRP members. The experimental results are as follows; 1. The static collapse test was similar to the impact collapse test in the collapse mode of Al/CFRP members. The Al/CFRP members showed stable collapse mode by complementing unstable brittle failure of the CFRP member due to collapse of inner Al member. The collapse modes of Al/CFRP members were categorized into four mode in both the circular or square members. The collapse mode was effective criterion in expression of characteristics of energy absorption. 2. The absorbed energy per unit volume was higher in the Al members or the Al/CFRP members than in the CFRP members. However, in the light-weight design aspect, the absorbed energy per unit mass was the highest in the case of the Al/CFRP members. Therefore, the Al/CFRP members turned out to be quite recommendable as for a structural member under axil load. The energy absorption of the circular member was higher than that of the square member. 3. The energy absorption capacity of Al/CFRP members were increased with the increase of fiber orientation angle of CFRP in both the static and impact test. The most effective energy absorption was shown when the fiber orientation angle of CFRP was 90°. When outer fiber orientation angle of CFRP was changed, the Al/CFRP member with 90°(+90°/-90° and 90°/0°) outer fiber orientation of CFRP showed better collapse characteristics than that with 0°. 4. The energy absorption capacity of Al/CFRP square members were increased as CFRP thickness increased because the members were collapsed stably under high load by increasing folding length, so the members can obtain the light-weight, effectively. However, the Al/CFRP circular member can obtain a measure of light-weight according to increase of CFRP thickness, when CFRP thickness is over some limit synergy effect seems to diminish, and the collapse characteristics seems to be dominated because the members absorb energy by the collapse characteristics of CFRP member alone.