이종 복합재 플라이 오버랩 조인트 구조의 피로 수명 예측 = Prediction for Fatigue Life of Dissimilar Composite Ply-overlap Joint Structures

국문 초록 (Abstract)

이종 복합재 플라이 오버랩 조인트 구조는 두 가지 복합재료의 플라이가 서로 부분적 또는 전체적으로 적층됨으로써 결합하는 구조이다. 이는 우수한 결합력과 경량성으로 인해서 항공기의 안테나 내장 스킨 구조(CLAS)에 적용된다. 항공기 구조물의 설계 과정에서는 다양한 하중 조건에 대한 피로 수명 평가가 필수적이므로, CLAS에 적용되는 플라이 오버랩 조인트 구조의 피로 특성을 효율적으로 예측하는 방법이 필요하다. 본 논문에서는 복합재료의 비선형 응력-수명(S-N) 선도를 표현하는 Epaarachchi-Clausen 모델과 플라이의 접합 형상으로 인해 나타나는 기하학적 특징을 이용하여 플라이 오버랩 조인트 구조의 피로 수명을 예측하였다. 다양한 기하학적 특징 중에서 피로 수명에 영향을 주는 세 가지 기하학적 변수를 선정하였고, 선정된 변수는 Maximum thickness(구조의 최대 두께), Overlap length(다른 재료의 플라이끼리 접촉하는 길이), LS proportion(낮은 강도를 가지는 재료의 비율)이다. 기하학적 변수와 피로 수명, 그리고 Epaarachchi-Clausen 모델의 재료상수 간의 관계를 분석하여 재료상수와 기하학적 변수의 관계식을 제안하였다. 제안된 식을 이용하면, 피로 시험 데이터가 존재하는 구조로부터 동일한 재료와 다른 기하학적 변수를 가지는 구조의 재료상수를 계산하여 S-N 선도를 예측할 수 있다. 제안한 기법의 정확도를 검증하기 위해서 세 가지 플라이 오버랩 조인트 구조의 피로 수명을 예측하였다. 제안한 방법으로 예측된 피로 수명과 Epaarachchi-Clausen 모델에 시험 데이터를 적용하여 구한 피로 수명을 서로 비교하였다. 실제 피로 수명에 대한 이들의 평균 오차를 각각 계산하여 비교하였다. 결과적으로, 구조물의 기능성 향상을 목적으로 플라이 오버랩 조인트 구조를 사용하는 경우에 제안된 방법을 활용하여 해당 구조의 피로 특성을 적절히 예측할 수 있음을 보였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Dissimilar composite ply-overlap joint structure is a structure in which plies of two composite materials are partially or entirely laminated to each other to be combined. This is applied to the conformal load-bearing antenna structure (CLAS) of aircraft due to its excellent bonding strength and lightweight. Since fatigue life evaluation for various load conditions is essential in the design process of aircraft structures, a method for efficiently predicting fatigue characteristics of a ply-overlap joint structures applied to the CLAS is required. In this paper, the fatigue life of a ply-overlap joint structure is predicted using the Epaarachchi-Clausen model, which expresses the nonlinear Stress-Life (S-N) curve of composite materials, and geometric features resulting from the joint shape of plies. Among various geometric features, three geometric variables that affect fatigue life are selected, and selected variables are Maximum thickness (maximum thickness of structure), Overlap length (length of contact between plies of different materials), and LS proportion (ratio of materials with low strength). By analyzing the relationship between geometric variables, fatigue life, and material constants of the Epaarachchi-Clausen model, relational expressions between material constants and geometric variables are proposed. Using the proposed formula, it is possible to predict the S-N curve by calculating the material constants of a structure having the same materials and different geometric variables from a structure with fatigue test data. To verify the accuracy of the proposed method, the fatigue life of three ply-overlap joint structures is predicted. Fatigue life predicted by the proposed method is compared with fatigue life obtained by applying test data to the Epaarachchi-Clausen model. Their average error for actual fatigue life is calculated and compared. As a result, in the case of using a ply-overlap joint structure for improving the functionality of a structure, the fatigue characteristics of the structure can be appropriately predicted using the proposed method.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 문헌 조사 6
• 1.3 연구 방법 8
• 제 2 장 피로 이론 9
• 2.1 S-N 선도 9
• 2.1.1 ASTM E739 12
• 2.1.2 Epaarachchi-Clausen 모델 14
• 제 3 장 플라이 오버랩 조인트 구조의 피로 시험 20
• 3.1 시험 재료 및 시편 20
• 3.2 강도 시험 및 피로 시험 22
• 제 4 장 플라이 오버랩 조인트 구조의 피로 수명 예측 25
• 4.1 기하학적 변수 선정 25
• 4.2 기하학적 변수와 피로 수명의 관계 26
• 4.3 재료상수와 기하학적 변수의 관계식 제안 28
• 4.3.1 재료상수와 피로 수명의 관계 28
• 4.3.2 재료상수와 기하학적 변수의 관계 31
• 4.3.3 재료상수 증감량 정의 31
• 제 5 장 피로 수명 예측 기법의 정확도 검증 39
• 5.1 검증 데이터 #1 (Flax/Glass 구조) 40
• 5.2 검증 데이터 #2 (Flax/Carbon 구조) 44
• 5.3 검증 데이터 #3 (Carbon/Glass 구조) 47
• 제 6 장 결 론 52
• 참고문헌 54
• ABSTRACT 59