직조형 복합재료를 이용한 일체형 보강 패널의 설계 기법 = A Design Method for an Integrally Stiffened Panel with Woven Composite Materials

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Composite stiffened panels are structures with high buckling resistance to weight ratio. Therefore, these are widely used in structures to which compressive loads are applied, such as wings or fuselages of aerospace structures. Theses panels are generally made of laminated composites, which are manufactured by stacking prepregs such as unidirectional (UD) laminas and 2D fabric composites. This manufacturing method exhibits low resistance to delamination cracking due to their poor interlaminar fracture toughness. To delay the delamination, thickness-direction reinforcement methods such as z-pinning and stitching are used, but these techniques are labor intensive and therefore costly and time-consuming. The 3D woven composite made by impregnating the resin into the dry fiber preforms has excellent the out-of-plane mechanical properties. In addition, it can be fabricated into complex near-net-shape preforms, reducing manufacturing time, material waste, and the need for bonded joints. Therefore, many studies have designed integrally stiffened panels by utilizing the advantages of 3D woven composites.
The width and thickness of tows constituting the 3D woven composites depend on the weaving parameters such as tow size, tow spacing and weaving patterns. These shapes dominate the mechanical properties of the composite. Therefore, geometric modeling method according to weaving parameters is required for designing structures using the woven composite, and this method has not yet been studied.
In this paper, we present a geometric modeling method for an integrally stiffened panel made of 3D LTL woven composites. For geometric modeling, we first design weaving patterns and a weave preform in which the skin and stiffener are integrated. Then, an integrally stiffened panel is fabricated using the vacuum infusion process. The cross-sections for each part of the manufactured panel are observed using an optical microscope. The paths and cross-sectional shapes of the tows (warp and fill) are modeled with optically obtained sections. The paths of tows are defined as straight lines, power elliptic functions, and Bezier curves according to their shapes. The cross-sections of tows are assumed to be power ellipses and rectangles. To validate the proposed method, buckling analysis is performed using a geometric model and compared with the compressive test results. Mechanical properties of the stiffened panel required for the analysis are derived using geometrically modeled shapes and the weighted average model (WAM), one of the micromechanical methods to calculate the effective properties of the 3D woven composite. Then, buckling analysis is performed using the derived properties. The integrally woven stiffening panels for compression testing are manufactured by injecting resin into the preforms. We perform a compressive test using the fabricated panel to derive the buckling load and mode, and compared these with the results of buckling analysis. Consequently, it is concluded that this method can be effectively used for the design of integrally stiffened panels to which 3D woven composites are applied.

국문 초록 (Abstract)

보강 패널은 외피(Skin) 구조에 보강재(Stiffener)가 부착된 구조로 단순 외피 구조와 비교하여 높은 좌굴 저항성을 가진다. 또한 이러한 구조를 경량화 시키기 위해 비강성과 비강도가 높은 탄소섬유 강화 복합재료(Carbon Fiber Reinforced Plastics, CFRP)를 사용하는 사례가 증가하고 있다. 탄소섬유 강화 복합재료 중 대표적인 재료는 시트 형태의 프리프레그를 적층시켜 제작하는 2차원 적층 복합재료로가 있다. 이 재료는 뛰어난 면내 기계적 물성을 가지지만 층간 분리와 같은 구조적 취약점이 있다. 그에 반해 여러 섬유다발들을 제직하여 제작한 3차원 직조 복합재료는 적층 복합재료와는 달리 두께 방향으로 섬유가 엮여 있어 층간 박리와 충격 파손과 같은 구조적 파손에 강하다. 또한 Near-net-shape 형태로 제직이 가능하여 복잡한 형태의 구조에 대한 일체형 제작이 가능하다. 이러한 장점으로 인해 3차원 직조 복합재료를 이용하여 일체로 보강된 패널을 제작하는 많은 연구가 진행되고 있다. 이러한 패널을 구조물에 적용하여 설계하기 위해서는 제작변수에 따른 외피와 보강재 같은 각 부품의 기계적 물성을 예측해야 한다. 일반적으로 적층 복합재료는 고전 적층판 이론을 이용해서 계산하는 반면 직조 복합재료는 반복적이고 주기적인 기하학적 형상을 활용해 단위 셀을 모델링하고 해석적 방법 및 수치적 방법을 이용해 계산한다. 3차원 직조 복합재료를 활용한 일체형 보강 패널에 대해서도 이러한 방법으로 각 부품의 물성을 계산하여 설계를 해야 하지만 현재까지는 제직패턴 설계와 제작 및 시험에 대한 연구만 진행되었다. 따라서 본 논문에서는 3차원 직조 복합재료를 사용하여 외피와 보강재가 일체로 보강된 패널에 대한 기하학적 모델링 방법을 제안한다. 먼저 C형 보강재를 가지는 일체형 보강패널을 위한 프리폼 제직 패턴을 설계하였다. 직조 복합재료 제직 패턴 중 층간 연결을 하는 Layer-to-layer(LTL) 패턴을 기반으로 하여 보강 패널의 제직 패턴을 설계하였다. 기하학적인 모델링을 위해 먼저 기본 LTL 패턴을 가지는 시편을 관찰하여 단면을 분석하고 기하학적인 모델링을 수행하였다. 경사와 위사의 단면 형상은 거듭제곱 타원 함수를 사용하였으며, 각 섬유다발의 경로 형상은 거듭제곱 타원 함수, 3차 다항식, 3차 베지어 곡선을 이용하여 모델링하였다. 모델링 된 기본 LTL 패턴과 일체형 보강 패널의 프리폼 제직 패턴을 활용하여 각 부품의 기하학적인 모델링을 수행하였다. 모델링 된 각 부품들에 대한 방향별 기계적 물성을 계산하기 위하여 이산화 기법과 등 응력 및 변형률 가정을 이용한 가중 평균 모델을 이용하였다. 계산된 물성은 시편 시험 결과와 비교하여 검증하였다. 또한 계산된 각 부품의 물성을 이용하여 좌굴해석을 수행하여 좌굴모드 및 좌굴하중을 계산하였다. 좌굴해석 결과를 검증하기 위하여 일체형 보강패널을 제작하고 이를 이용해 압축시험을 수행하여 좌굴 모드 및 하중을 도출하고 유한요소해석을 통해 계산된 결과와 비교하여 검증하였다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서 론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 문헌 조사 4
• 1.3 연구 방법 8
• 제2장 일체형 보강 패널의 설계 및 제작 10
• 2.1 3차원 직조 복합재료의 제직 패턴 종류 10
• 2.2 일체형 보강 패널을 위한 제직 패턴 설계 12
• 제3장 일체형 보강 패널의 기하학적 모델링 13
• 3.1 LTL 패턴 모델링 13
• 3.1.1 XZ 단면 16
• 3.1.2 YZ 단면 22
• 3.2 일체형 보강 패널 모델링 24
• 3.2.1 외피(Skin) 24
• 3.2.2 보강재(Stiffener) 30
• 3.2.3 외피-보강재(Skin-Stiffener) 34
• 3.2.4 모델링 검증 40
• 제4장 일체형 보강 패널의 기계적 물성 계산 48
• 4.1 이산화 기법 48
• 4.2 3차원 직조 복합재료의 유효물성 계산 52
• 제5장 기하학적 모델링 기법의 검증 62
• 5.1 재료 물성치와 제직 및 기하학적 변수 62
• 5.2 기계적 물성 예측 기법 검증 65
• 5.3 좌굴 해석 및 시험 82
• 5.3.1 일체형 보강 패널 제작 82
• 5.3.2 압축 시험 89
• 5.3.3 좌굴 해석 93
• 제6장 결 론 96
• 제7장 향후 연구 방향에 대한 제언 100
• 7.1 일체형 보강 패널의 좌굴 후 해석 100
• 7.2 다양한 형상의 일체형 보강 패널 설계 105
• 7.3 일체형 보강 패널의 최적설계 107
• 7.4 환경 영향을 고려한 일체형 보강 패널 설계 116
• 참 고 문 헌 118
• ABSTRACT 125

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