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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 박정선
- 발행연도
- 2022
- 저작권
- 항공대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수14
이 논문의 연구 히스토리 (3)
2022
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스킨-스트링거 패널(Skin-Stringer panel)은 접착 체결, 기계적 체결 등의 다양한 방식으로 스킨과 스트링거를 체결한다. 이와 같은 체결 방식은 스킨-스트링거 패널에서 응력 집중(stress concentration)과 접착 분리(debonding)와 같은 구조적 결함을 야기할 수 있다. 또한 체결 부품의 추가로 무게가 증가할 가능성이 있다. 이를 보완하기 위하여 3차원 직조 복합재료(3-dimensional woven composite)를 활용한 스킨-스트링거 일체형 패널(Skin-Stringer integrated panel)을 제시하였다.
본 논문에서는 스킨-스트링거 일체형 패널의 기하학적 모델링을 수행하기 위하여 먼저 일체형 패널을 정의하였다. 스킨-스트링거 패널을 구성하는 부재인 스킨(Skin), 웹(Web), 플랜지(Flange)를 일체화하기 위해 섬유 배열도를 통하여 제직 패턴을 제시하였다. 일체형 패널은 하나의 프리폼에서 섬유 다발들이 분기되어 스킨, 웹, 플랜지를 형성하므로 LTL (Layer-to-Layer) 패턴을 기반으로 섬유 다발의 경로를 변경해 프리폼을 제작하였다.
정의한 일체형 패널을 기하학적으로 모델링하기 위하여 현미경으로 단면을 촬영하였다. 섬유 다발의 너비, 두께 그리고 섬유 다발 간의 간격과 같은 기하학적 변수를 측정하고 제직 패턴을 분석하였다. 각 부재를 구성하는 섬유 다발의 단면과 경로를 다양한 함수식으로 가정해 기하학적 모델링을 수행하고 형상을 비교하여 가장 효율적이며 실제와 유사하게 표현할 수 있는 함수식을 도출하였다. 섬유 다발의 단면과 경로를 정의한 함수식으로 일체형 패널을 기하학적으로 표현하였다.
제시한 기하학적 모델링을 검증하기 위해 모델링을 통해 예측한 일체형 패널 부재의 치수와 실제 측정한 치수를 비교하였다. 그리고 일체형 패널의 좌굴해석을 수행하여 좌굴시험 결과와 비교하였다. 좌굴해석을 수행하기 위하여 Iso-strain 가정과 iso-stress 가정이 조합된 가중평균모델을 이용해 직조 복합재료 평판의 강성을 예측하였다. 이 때 기하학적 모델링을 위해 가정했던 함수식들을 모두 적용해 평판의 강성을 예측하였다. 물성시험을 수행한 후 예측한 강성 값과 비교해 다양한 함수식 중 선택된 함수식의 적절성과 기하학적 모델링의 정확도를 검증하였다. 검증된 기하학적 모델링 기법을 사용해 일체형 패널을 구성하는 부재들의 기계적 물성을 계산하였다. 도출한 부재의 기계적 물성을 적용하여 일체형 패널의 좌굴해석을 수행하였다. 그리고 동일한 조건으로 좌굴시험을 수행해 좌굴 하중에 대한 일체형 패널의 기계적 거동을 확인한 후 좌굴해석 결과와 비교하였다.
3차원 직조 복합재료 기반 스킨-스트링거 일체형 구조를 모델링함으로서 기하학적 변수와 함수식을 이용해 제직 패턴에 따른 기계적 물성을 효율적으로 예측할 수 있고 제안한 제직 패턴으로 접착 분리, 응력집중과 같은 구조적 결함에 안전하며 무게의 증량이 발생하지 않는 일체형 스킨-스트링거 일체형 구조를 제작할 수 있다.
본 논문에서는 스킨-스트링거 일체형 패널의 기하학적 모델링을 수행하기 위하여 먼저 일체형 패널을 정의하였다. 스킨-스트링거 패널을 구성하는 부재인 스킨(Skin), 웹(Web), 플랜지(Flange)를 일체화하기 위해 섬유 배열도를 통하여 제직 패턴을 제시하였다. 일체형 패널은 하나의 프리폼에서 섬유 다발들이 분기되어 스킨, 웹, 플랜지를 형성하므로 LTL (Layer-to-Layer) 패턴을 기반으로 섬유 다발의 경로를 변경해 프리폼을 제작하였다.
정의한 일체형 패널을 기하학적으로 모델링하기 위하여 현미경으로 단면을 촬영하였다. 섬유 다발의 너비, 두께 그리고 섬유 다발 간의 간격과 같은 기하학적 변수를 측정하고 제직 패턴을 분석하였다. 각 부재를 구성하는 섬유 다발의 단면과 경로를 다양한 함수식으로 가정해 기하학적 모델링을 수행하고 형상을 비교하여 가장 효율적이며 실제와 유사하게 표현할 수 있는 함수식을 도출하였다. 섬유 다발의 단면과 경로를 정의한 함수식으로 일체형 패널을 기하학적으로 표현하였다.
제시한 기하학적 모델링을 검증하기 위해 모델링을 통해 예측한 일체형 패널 부재의 치수와 실제 측정한 치수를 비교하였다. 그리고 일체형 패널의 좌굴해석을 수행하여 좌굴시험 결과와 비교하였다. 좌굴해석을 수행하기 위하여 Iso-strain 가정과 iso-stress 가정이 조합된 가중평균모델을 이용해 직조 복합재료 평판의 강성을 예측하였다. 이 때 기하학적 모델링을 위해 가정했던 함수식들을 모두 적용해 평판의 강성을 예측하였다. 물성시험을 수행한 후 예측한 강성 값과 비교해 다양한 함수식 중 선택된 함수식의 적절성과 기하학적 모델링의 정확도를 검증하였다. 검증된 기하학적 모델링 기법을 사용해 일체형 패널을 구성하는 부재들의 기계적 물성을 계산하였다. 도출한 부재의 기계적 물성을 적용하여 일체형 패널의 좌굴해석을 수행하였다. 그리고 동일한 조건으로 좌굴시험을 수행해 좌굴 하중에 대한 일체형 패널의 기계적 거동을 확인한 후 좌굴해석 결과와 비교하였다.
3차원 직조 복합재료 기반 스킨-스트링거 일체형 구조를 모델링함으로서 기하학적 변수와 함수식을 이용해 제직 패턴에 따른 기계적 물성을 효율적으로 예측할 수 있고 제안한 제직 패턴으로 접착 분리, 응력집중과 같은 구조적 결함에 안전하며 무게의 증량이 발생하지 않는 일체형 스킨-스트링거 일체형 구조를 제작할 수 있다.
목차
제 1 장 서 론 11.1 연구 배경 11.2 문헌 조사 31.3 연구 목적 및 방법 4제 2 장 스킨-스트링거 일체형 패널의 정의 52.1 스킨-스트링거 일체형 패널의 제직 패턴 제시 52.2 스킨-스트링거 일체형 패널의 프리폼과 분기 8제 3 장 스킨-스트링거 일체형 패널의 기하학적 모델링 103.1 기하학적 모델링을 위한 제직 패턴 분석 및 기하학적 변수 측정 103.2 부재를 구성하는 섬유 다발의 기하학적 모델링 133.3 스킨-스트링거 일체형 패널의 기하학적 모델링 29제 4 장 스킨-스트링거 일체형 패널의 기하학적 모델링 기법 검증 364.1 기하학적 모델링을 통해 예측한 치수와 측정한 치수 비교 374.2 좌굴해석 결과와 좌굴시험 결과 비교 41제 5 장 결 론 52참고문헌 54SUMMARY 57
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