3차원 직조 복합재료의 기계적 물성 예측 기법 연구 = A Study on the Predicting Mechanical Properties of 3D Woven Composites

국문 초록 (Abstract)

복합재료(Composite material)는 높은 비강성, 비강도, 부식저항 그리고 낮은 열전도도로 인해 높은 기계적 물성과 더불어 경량화가 필요한 항공우주 산업분야에서는 복합재료의 활용이 활발하다. 특히 3차원 직조 복합재료(3D woven composite)는 면외방향(out-of-plane)으로 배치된 섬유덕분에 일방향 적층 복합재료(uni-directional laminate composites)에 비해 충격하중이나 압축하중 하에서 층간분리(delamination)에 강하며 면외방향의 기계적 물성이 향상 되었다. 3차원 복합재료는 사용되는 섬유(fiber) 및 기지(matrix)의 물성 그리고 제작변수에 따라 기계적 물성이 달라진다. 이런 특징 때문에 섬유 및 기지의 물성 그리고 제작변수에 따라 바뀌는 3차원 직조 복합재료의 기계적 물성 예측을 위해 실험적으로 물성예측을 수행하기에는 많은 시간과 비용이 요구된다. 이런 문제는 발생하는 이유는 3차원 직조 복합재료의 패턴의 설계에는 2차원 적층 복합재료에 사용되는 고전 적층판 이론(classical laminate theory, CLT)과 같은 일반적인 지침이나 이론이 없기 때문이다. 따라서 이러한 문제를 해결하기 위해 설계 요구치에 맞는 최적의 제작 변수를 찾기 위해서 다변수를 고려한 예측 기법을 개발하는 것이 중요하다. 본 논문에서는 3차원 직조 복합재료의 섬유의 휘어짐을 기하학적 형상을 반영하여 반복단위격자(repeating unit cell, RUC)를 이루는 섬유의 배열을 구성했다. 이를 위해 제작된 시편의 단면을 촬영하고 3차원 직조 복합재료의 섬유 및 기지의 물성과 제작변수에 따른 기계적 물성을 해석적으로 예측할 수 있는 기법을 연구했다. 또한 등변형률, 등응력 가정에 대한 가중치 모델을 적용함으로써 물성 예측 기법의 정확도를 높였다. 해석적 물성 예측기법의 정확도 검증은 수치적인 물성 예측기법인 유한요소해석과 시편 시험의 결과와 비교 검증하였다. 해석적 물성 예측 기법은 수치적 물성 예측 기법과 시편 시험 결과보다 물성 예측에 소요되는 비용과 시간을 줄임으로써 반복적인 물성 예측이 요구되는 복합재료 구조설계의 효율성을 크게 증가시킬 것으로 예상된다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 1.1 연구 배경 및 목적 1
• 1.2 연구 방법 2
• 제 2 장 연구 관련 이론 4
• 2.1 3차원 직조 복합재료의 프리폼 구성 4
• 2.2 반복단위격자 (Repeating Unit Cell, RUC) 6
• 2.3 섬유다발과 섬유/기지 사이 관계 7
• 2.4 파손 이론 (Failure criterion) 10
• 2.4.1 최대 응력 이론 (Maximum stress criterion) 10
• 2.4.2 팔면체 전단 응력 이론 (Octahedral shear stress criterion) 11
• 제 3 장 해석적 물성 예측 기법 12
• 3.1 균질화 기법 (Homogenization method) 12
• 3.2 반복단위격자의 기하학적 형상 정의 13
• 3.2.1 시편 단면 촬영 및 제작변수 측정 13
• 3.2.2 제작변수를 통한 기하학적 변수 계산 14
• 3.3 반복단위격자의 유효강성 계산 17
• 3.3.1 섬유다발 및 기지의 강성행렬 정의 17
• 3.3.2 변환행렬 정의 18
• 3.3.3 반복단위격자의 유효강성행렬 정의 19
• 3.4 반복단위격자의 강도 예측 기법 22
• 3.4.1 증분 접근법 22
• 3.4.2 국부 파손 기준 23
• 3.4.3 국부 파손에 따른 강성 저하 모델 24
• 3.5 해석적 물성예측 기법의 알고리즘 26
• 제 4 장 수치적 물성 예측 기법 (유한요소해석) 28
• 4.1 유한요소 모델링 28
• 4.2 반복단위격자에 적용된 경계 조건 30
• 4.3 기계적 물성 도출 33
• 4.4 반복단위격자에 적용된 파손해석 알고리즘 34
• 제 5 장 결과값 검증 35
• 5.1 시편 시험 결과 35
• 5.2 섬유다발의 기계적 물성 계산 38
• 5.3 3차원 직조 복합재의 제조과정 중 발생하는 섬유 손상 39
• 5.4 해석적/수치적 기법에 따른 기계적 물성 예측 결과 39
• 5.5 해석적 물성예측기법 결과 40
• 5.5.1 0도 방향 시험 40
• 5.5.2 90도 방향 시험 41
• 5.6 수치적 물성예측기법 결과 42
• 5.6.1 0도 방향 시험 42
• 5.6.2 90도 방향 시험 43
• 제 6 장 결 론 44
• 참고문헌 45
• SUMMARY 47