응집영역 모델을 이용한 Steel/CFRP 하이브리드 부품의 계면거동 예측 = Prediction of interfacial behavior in hybrid Steel/CFRP composite part

국문 초록 (Abstract)

최근 자동차 산업은 세계적으로 자원 고갈과 지구온난화로 인한 환경규제에 따라 CO2 배출량 감축 및 차량 경량화에 신소재 적용이 필요한 시점이다. 이에 부합하는 소재로서, 차체 경량화를 위하여 많은 연구가 진행 중인 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP: Carbon Fiber Reinforcement Plastic) 를 사용하여 기존의 부품을 대체하거나, Steel/CFRP를 함께 접합하여 하이브리드 부품을 생산하고 있다. 이 하이브리드 부품은 기존 금속 소재 대비 무게를 줄이고 더 높은 비강도와 비강성을 확보할 수 있는 장점이 있으나, 이종 소재간의 접합을 위해 기계적 체결(용접, 볼팅, 리벳팅)을 사용할 경우, CFRP 소재에 손상을 주고 계면 간의 접합력이 저하되는 문제점이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 프리프레그 압축성형에 기반한 CFRP와 기존 금속에 동시에 화학적 접합 메커니즘을 가지는 일체성형 기술이 연구되고 있다. 하지만, 일체성형 후 금속 소재의 Springback으로 인하여 이종소재 간 계면분리 현상(Delamination) 이 발생하는 문제점이 있다. 계면분리 현상가 일어날 경우 하이브리드 부품의 기계적 물성 저하 및 CFRP의 높은 비강도, 비강성의 효과가 저하되고 하중이 고르게 분포되지 못해 부품의 파손을 유발할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 금속과 CFRP 간의 스프링백 발생에 따른 계면분리 현상을 예측하는 기법을 제시하였다. Mode에 따른 균열발생을 모사하기 위해 DCB(Double cantilever beam), ENF(End-notched flexure) 실험을 진행하였고, 실험을 통해 도출된 Mode I, II에너지해방률(Energy release rate)을 토대로 응집영역모델(Cohesive zone model, CZM)에 적용하였다. Steel/CFRP 하이브리드 부품의 드로잉 실험을 통해 Steel과 CFRP 의 스프링백을 측정하였으며, 이를 Steel/CFRP 하이브리드 부품의 스프링백 거동해석과 비교하여 계면분리 거동예측 방법의 유효성을 확인하였다.

목차 (Table of Contents)

• 차 례
• 1. 서론 1
• 1.1 연구배경 1
• 1.2 연구동향 3
• 1.3 연구목적 및 범위 5
• 2. Cohesive zone model을 이용한 이종소재 계면의 파괴거동 해석모델 7
• 2.1 Cohesive zone model의 기본 개념 8
• 2.2 에너지 해방률(Energy release rate) 10
• 3이종소재 계면의 파괴인성 평가 13
• 3.1 Mode별 에너지 해방률 도출 13
• 3.2 유한요소해석을 위한 Steel/CFRP의 물성평가 15
• 3.3 유한요소해석을 통한 에너지 해방률 유효성 검증 17
• 4. Steel/CFRP 하이브리드 부품의 드로잉 공정 해석 19
• 4.1 드로잉 실험에 의한 Steel/CFRP 하이브리드 부품 제작 19
• 4.2 Steel/CFRP 하이브리드 부품의 계면거동 해석 21
• 5. 결론 23
• References 25
• Table 27
• Figure 29
• Abstract 49