CFRP 파이프의 회귀분석 및 수치해석 기반 토크 전달 신뢰성 평가와 Lap Shear 강도를 고려한 안전율 산정 연구 = Torque Reliability of CFRP Pipes: Regression–FE Analysis and Lap-Shear-Based Safety Factors

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 1,800 rpm급 CFRP Tube의 토크 전달 신뢰성을 정량적으로 평가하고, Lap-shear 전단강도를 반영한 설계 안전율 산정 프레임을 제시하는 것을 목적으 로 한다. 이를 위해 KR010, KR020, KR040, KR070 네 가지 모델에 대해 비틀림 시험을 수행하여 토크–각도 로우데이터를 확보하였고, 기준각 보정을 포함한 데 이터 후처리 후 토크 와 길이 을 독립변수로 하는 회귀모델을 구축하였다. 회귀 분석 결과, KR010과 KR020은 2차항을 포함한 다항 회귀식으로 고토크 구간의 완 만한 비선형 응답을 반영하였으며, KR040과 KR070은 선형에 가까운 관계로 정리 되어 모델별 길이·토크 변화에 따른 비틀림 응답을 설계 단계에서 예측 가능하도 록 하였다. 접착계면 신뢰성 평가를 위해 ASTM D1002 기반 Lap-shear 시험을 수행하여 접착층 두께(0.2–0.9T) 변화에 따른 전단강도 민감도를 분석하였다. 그 결과 0.2–0.7T 구간에서는 약 23–25 MPa 수준의 비교적 일정한 전단강도를 보 였으나, 0.8–0.9T에서는 약 21 MPa 수준으로 강도 저하가 확인되어 과도한 두께 증가(또는 편심)가 접착부 토크 전달능을 저하시킬 수 있음을 확인하였다. 또한 실제 제작에 사용된 와인딩 재료의 기초 물성 확보를 위해 ASTM D4018 및 ASTM D2344 시험을 수행하였고, 보수적 설계를 위해 인장 물성은 두 재료 중 낮은 값을, 층간전단 기준은 더 낮은 숏빔 강도를 대표값으로 채택하여 유한요소 해석 입력 및 허용 기준으로 활용하였다. 수치해석은 KR040-2600 시편을 대상으 로 ANSYS 정적 구조해석을 수행하여 접착층 및 적층부 응력 분포를 평가하였다. 4,000 N·m 비틀림 하중에서 접착층 중앙부에 약 20 MPa 이상의 최대 주응력이 분포하여 접착층 파손 가능성이 높음을 확인하였고, 파이프 적층 중 최내곽 ±15°(helical) ply에서 주응력 부담이 가장 크게 나타나 파괴 지배 위치와 메커니 즘을 해석적으로 제시하였다. 마지막으로 동일 형상·적층 조건의 KR040-2600 실 물 시편에 대한 파괴토크 시험을 수행한 결과 약 3,999 N·m에서 파괴가 발생하였 으며, 파괴 양상은 플랜지–파이프 접착부를 따라 진행되는 접착층 파단 형태로 관찰되었다. 이는 Lap-shear 기반 전단강도 수준 및 FEM에서 예측된 접착층 응 력 집중 경향과 정성적으로 양립 가능한 결과로, “Lap-shear 강도–토크/각도 회 귀식–FEA–실물 파괴시험”으로 이어지는 통합 검증 체계의 유효성을 확인하였 다. 본 연구는 CFRP Tube의 토크 전달 성능을 단일 시험 결과에 의존하지 않고, 재료 시험·회귀 기반 예측·수치해석·실물 파괴검증을 연계하여 설계 안전 여유를 데이터 기반으로 산정할 수 있는 절차를 제시하였다. 특히 접착층 두께 관리(권장 범위 0.2–0.7T)의 중요성을 실험적으로 규명하고, 접착층 지배 파괴를 고려한 설 계·검증 프레임을 제공함으로써 냉각탑 구동축, 해양 추진계, 산업용 고속 회전체 등 CFRP 샤프트 적용 분야에서 정량적 설계 의사결정을 지원하는 기초 자료로 활용될 수 있다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서 론 1
• 1.1 연구배경 1
• 1.2 종래연구 3
• 제2장 비틀림 시험 8
• 2.1 시험 대상 및 시편 구성 8
• 2.2 비틀림 시험 장비 및 방법 10
• 2.3 토크–각도 데이터 처리 및 회귀 분석 15
• 제3장 접착강도 18
• 3.1 ASTM D 1002 18
• 3.2 시험결과 21
• 3.3 와인딩 물성테스트 25
• 3.4 ASTM D 4018 29
• 3.5 ASTM D 2344 33
• 제4장 유한요소해석 38
• 4.1 ANSYS FEM 유한요소해석 38
• 제5장 실제파괴 시험 및 교차검증 42
• 5.1 실제파괴 42
• 5.2 파괴토크시험 52
• 5.3 교차검증 45
• 제6장 결론 48
• 참고문헌 52