충격 결함을 갖는 복합재료(CFRP)의 굽힘 강도(정적 및 피로) 특성에 관한 연구 = Study on the Evaluation of Bending Strength and Fatigue Behavior of Impacted CFRP Plate

국문 초록 (Abstract)

복합재료는 일반적으로 금속재료보다 비강도 및 비강성이 높고 다양한 형태의 하중에 대하여 우수한 역학적 특성을 가지고 있다. 따라서 높은 안전성 및 경량화가 요구되는 항공, 자동차, 해양등과 같은 분야에 널리 사용되고 있다. 그 중 CFRP는 적층구조를 가진 이방성 복합재료로써 강화재인 탄소섬유를 모재와 함께 성형하여 제작한 복합재료이다.
일반적으로 CFRP와 같은 적층형태의 복합재료는 외부 충격에 약한 특성이 있다. CFRP는 충격을 받으면 재료의 적층사이가 벌어지는 Delamination과 같은 손상이 발생하며, 이는 복합재료로 제작한 구조물의 기계적인 특성을 저하시킬 뿐만 아니라 다양한 하중에 의해 위험한 결함으로 발전하여 파단까지 이를 수 있다. 특히, 항공우주 산업에서 복합재료가 항공기 구조부재로 이용될 때 새와의 충돌로 인한 손상, 이착륙 시 작은 돌이나 파편 등에 의한 충격 손상, 정비 중 공구추락으로 인한 손상 등에 의해 강도가 저하되는 것이 중요한 문제로 지적되고 있다. 따라서 CFRP의 충격에 대한 손상거동에 관한 연구가 활발히 이루어지고 있으며, 충격 정도에 따른 정적강도 및 피로강도의 변화와 결함거동 파악은 매우 중요한 연구 분야이다. 현재 충격 손상으로 인해 저하된 복합재료의 잔류강도 평가에 관한 많은 연구가 진행되고 있으며, 여러 충격인자에 대한 강도 저하 평가 및 예측모델에 대한 연구가 이루어지고 있지만, 아직 그 손상거동이 명확히 밝혀지지 않았다.
이에 본 논문에서는 실제 항공기에서 발생되는 충격 결함을 모사하였으며, 충격에너지에 따른 결함특성을 분석하였다. 또한 항공기에서 주로 발생하는 응력 중 하나인 굽힘에 대한 강도 및 피로시험을 수행하여 충격에너지 변화에 따른 손상거동을 파악하고 충격 결함 크기에 따른 정적강도 및 굽힘피로 수명저하 관계를 평가하였으며, 피로시험 후 충격으로 발생한 결함의 거동을 분석하였다.
실제 충격 결함을 모사하기 위하여 자유낙하형 충격실험을 수행하였으며 결함평가를 위하여 육안검사, 형광 침투탐상검사, 초음파검사를 수행하였다. 결함의 정량적인 평가를 위해 BVID(Barely Visible Impact Damage)와 VID(Visible Impact Damage)로 나누어 결함을 분석하였으며, 외부결함과 내부결함으로 나누어 손상정도를 관찰하였다.
충격에 따른 피로저하를 평가하기 위하여 3점 굽힘 정적강도 시험 및 피로시험을 진행하였으며, 일정 사이클마다 결함 진전 정도를 확인하기 위해 비파괴검사를 활용하여 데이터를 획득하였다.
최종적으로 건전한 시험편과 BVID시험편, VID시험편의 정적강도 및 피로강도 변화와 결함 거동을 비교분석하였으며, 내부결함과 충격에너지에 대하여 피로한도를 예측하고, 항공기 설계 강도(극한하중의 1.5배)기준을 활용하여 BVID와 VID를 나누는 기준을 재검토하였다.

목차 (Table of Contents)

• 목 차
• 요 약 …………………………………………………………… ⅰ
• 목 차 …………………………………………………………… ⅲ
• 그림목록 …………………………………………………………… ⅴ
• 표 목 록 …………………………………………………………… ⅸ
• 제 1 장 서 론 …………………………………………………… 1
• 1.1 연구배경 ……………………………………………………… 1
• 1.2 국내외 연구 동향………………………………………………… 3
• 1.2.1 국내 연구 동향………………………………………………… 3
• 1.2.2 국외 연구 동향………………………………………………… 3
• 1.3 연구 목적 ……………………………………………………… 5
• 제 2 장 충격 결함 시험편 제작 및 결함분석………………… 7
• 2.1 시험편(CFRP)…………………………………………………… 7
• 2.2 충격 시험 장치 구성…………………………………………… 11
• 2.3 충격 시험 조건 및 결함 평가 기준…………………………… 12
• 2.4 비파괴검사 방법 ……………………………………………… 15
• 2.4.1 육안검사(BVID, VID)………………………………………… 15
• 2.4.2 형광 침투탐상검사…………………………………………… 16
• 2.4.3 초음파검사…………………………………………………… 17
• 2.5 비파괴 검사를 통한 충격 결함 분석…………………………… 22
• 2.5.1 표면결함검사 결과…………………………………………… 22
• 2.5.2 내부결함검사 결과…………………………………………… 23
• 2.5.3 결함검사 결과 비교…………………………………………… 25
• 제 3 장 굽힘 강도 및 피로시험………………………………… 28
• 3.1 굽힘 시험 장치 구성……………………………………… 28
• 3.2 굽힘 시험 조건……………………………………………… 31
• 3.3 충격에너지에 따른 굽힘 정적강도 변화 분석………………… 33
• 3.4 충격에너지에 따른 굽힘 피로강도 변화 분석………………… 35
• 3.5 피로한도 예측 회귀식………………………………………… 37
• 3.6 굽힘에 대한 결함 거동 분석…………………………………… 41
• 제 4 장 결론………………………………………………………… 45
• 참 고 문 헌………………………………………………………… 47
• SUMMARY ……………………………………………………… 51