SHPB를 이용한 woven type CFRP의 동적 압축 물성 획득 :Acquisition of dynamic compressive properties on woven type CFRP composite material using SHPB

박기환

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자료유형: 학위논문

저자정보: 박기환 (부산대학교, 부산대학교 대학원)

지도교수: 김정

발행연도: 2020

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이용수6

이 논문의 연구 히스토리 (2)

2020

Woven Type CFRP의 SHPB에 대한 동적 압축 물성 획득 및 검증

박기환 , 김연복 , 김정 한국항공우주학회지 2020.05 학술저널

SHPB를 이용한 woven type CFRP의 동적 압축 물성 획득

박기환 항공우주공학과 2020.01 학위논문

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고속 충돌 및 고속 성형과 같이 동적 환경에 대한 유한요소 시뮬레이션의 신뢰성을 향상시키기 위해 변형률 속도에 따른 소재의 동적 물성이 필요하다. 보편적으로 10^(-3)?sec ~ 10^(-1)?sec 범위의 변형률 속도에 대한 소재의 정적 물성은 인장시험을 통해 획득을 하나 10^2?sec ~ 10^4?sec 범위의 변형률 속도에 대한 소재의 동적 물성은 split Hopkinson bar 실험장비를 통해 획득 가능하다. 본 연구에서는 최근 무인 항공기에 확대 적용되고 있는 carbon fiber reinforced plastic(CFRP) 소재에 대한 충돌 시뮬레이션에 대응하기 위해 SHPB 실험장비를 활용하여 동적 물성을 획득하였다. Elastic-brittle 특성을 지니는 소재에 대한 일정한 변형률 속도 확보 및 실험 데이터에 대한 신뢰도를 향상시키기 위해 얇고 무른 연성 소재를 pulse shaper로 활용하였다. CFRP 소재는 방향 별 물성 및 기계적 반응이 다르므로 두께 방향과 면내 방향 시편을 제작하여 각각 실험을 수행하였다. CFRP 소재에 대한 SHPB 실험 결과 면내 방향 시편의 경우 일정한 변형률 속도 영역에 도달하기 전에 시편의 파단이 발생하여 데이터의 재현성 및 경향성 확인이 힘들다. 반면, 두께 방향의 시편의 경우 시편 전/후면 응력일치도가 우수하여 데이터 신뢰도가 우수하며, 일정한 변형률 속도 영역을 획득할 수 있다. 특히, 두 방향 별 시편에 대한 파단 특성으로는 면내 방향은 de-lamination과 fiber failure이 발생하며, 두께 방향은 fiber failure의 경향을 확인할 수 있다. SHPB 실험을 통해 획득한 응력-변형률 데이터를 바탕으로 유한요소 상용해석 프로그램인 LS-dyna를 활용하여 검증을 진행하였고, SHPB의 압력봉으로부터 간접적으로 측정되는 데이터는 시편과 압력봉의 변형에 의해 변형률이 과도하게 예측되는 것을 확인하였다.

In order to improve the reliability of finite element simulations for dynamic environments such as high-speed collisions and high-speed forming, the dynamic properties of the material according to the strain rate are required. Typically, the static properties of materials for strain rates in the range of 10^(-3)?sec ~ 10^(-1)?sec are obtained by tensile testing, but the dynamic properties of materials for strain rates in the range of 10^2?sec ~ 10^4?sec are obtained by split hopkinson bar experiment equipment. In this study, dynamic properties are obtained by using SHPB experiment to cope with the collision simulation of carbon fiber reinforced plastic (CFRP) material, which is being recently applied to unmanned aerial vehicles. In order to secure a constant strain rate for the material having elastic-brittle properties and to improve the reliability of the experimental data, a thin and soft flexible material was used as a pulse shaper. Since CFRP materials have different physical properties and mechanical reactions for each direction, experiments were performed about thickness direction and in-plane direction specimen. As a result of SHPB experiment, it is difficult to check the reproducibility and tendency of the data on in-plane direction specimen because the specimen breaks before reaching the constant strain velocity region. On the other hand, in the case of the specimen in the thickness direction, the front and back stress uniformity of the specimen is excellent, so that the data reliability is excellent, and a constant strain rate region can be obtained. In particular, the fracture characteristics of in-plane direction specimen has de-lamination and fiber failure and thickness direction specimen has the tendency of fiber failure. Based on the stress-strain data obtained through the SHPB experiment, the LS-dyna, a finite element analysis program, was used to verify the data. Data in-directly measured from the pressure rods of SHPB confirmed that the strain was excessively predicted by the deformation both of the specimen and the pressure rod.

#SHPB #woven CFRP #dynamic properties

1. 서론 1
1.1 연구의 배경과 목적
2. SHPB(Split Hopkinson Pressure Bar) 3
2.1 SHPB 개요
2.2 SHPB 1-D 탄성 응력파 이론
2.3 SHPB 실험 장비 구성 및 실험 방식
2.4 Pulse shape method
3. CFRP 복합재료의 동적 압축 물성 획득 실험 37
3.1 CFRP 복합재료 소개 및 제작
3.2 SHPB를 이용한 CFRP 복합재료 실험
4. 유한요소 모델을 활용한 SHPB 실험 물성 검증 45
4.1 유한요소 모델 및 해석 조건
4.2 두께 방향 시편의 실험 및 해석 데이터 비교
5. 결론 48

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