안테나 일체형 구조체의 전자기 윈도우용 이종 복합재료 조인트의 플라이 오버랩 설계 연구 :Ply overlap design of dissimilar composite joint for electromagnetic wave window of load bearing antenna structure

전재안

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자료유형: 학위논문

저자정보: 전재안 (인하대학교, 인하대학교 대학원)

지도교수: 이상의

발행연도: 2022

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2022

다대역안테나 일체형 구조체의 EM wave window 적용을 위한 복합재료 접합부의 플라이 오버랩 설계

전재안 , 박일경 , 이상의 대한기계학회 춘추학술대회 2022.06 학술대회자료

안테나 일체형 구조체의 전자기 윈도우용 이종 복합재료 조인트의 플라이 오버랩 설계 연구

전재안 기계공학과 2022.01 학위논문

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본 연구에서는 CLAS UFS의 EM wave window 적용을 위한 이종 복합재료의 접합을 위한 오버랩 조인트의 기계적 물성 및 강도 예측을 위한 유한 요소 해석 모델을 수립하였다. 연구에는 스태거드 오버랩, 플러시 오버랩, 하이브리드 오버랩 총 3가지의 오버랩 조인트 디자인이 사용되었고, 인장 실험을 통해 기계적 물성의 평가를 진행하였다. 실험 결과 스태거드 오버랩, 하이브리드 오버랩, 플러시 오버랩 순으로 높은 강도를 보여주었다. 구조 성능의 측면에서 강도가 가장 높은 스태거드 오버랩이 가장 적합한 오버랩 조인트라 할 수 있다.
기계적 거동을 예측하기 위한 유한 요소 해석은, 복합재 플라이 사이의 층간 거동을 묘사할 수 있는 CZM을 포함하지 않은 경우와 포함한 경우 두 가지를 수행하였다. 유한 요소 해석 결과는 실험 결과와 동일한 경향을 보여주었지만, 응력 수준에서 오차를 보여주었다. CZM을 포함하지 않는 유한 요소 해석의 경우, 하이브리드 오버랩이 실험값 대비 4.48%의 오차로 가장 높은 정확도를 보여주었으며, 그 다음으로는 플러시 오버랩이 17.3%의 오차를 보여주었다. 반면 스태거드 오버랩의 경우 해석에서 파손되지 않음을 확인하였다. 그리고 CZM을 포함한 유한 요소 해석의 경우, 플러시 오버랩이 2.63%의 오차로 가장 높은 정확도를 보였다. 하지만 하이브리드 오버랩과 스태거드 오버랩의 경우 해석에서 파손되지 않음을 확인하였다. 그 결과에 따라 플러시 오버랩의 경우 CZM이 추가되어 오차가 감소하는 경황을 보여주었지만, 스태거드 오버랩과 하이브리드 오버랩의 경우 오히려 오차가 증가하는 경향을 보여주었다.
유리 섬유 또는 탄소 섬유 복합재에서 오버랩 영역으로 바뀌는 취약 부분은 레진 포켓, 플라이 드롭, 국부적인 응력 집중을 포함하게 되는데, 이는 세 가지 우형의 플라이 오버랩 디자인의 전반적인 기계적 거동에 영향을 미칠 수 있다. 위와 같은 요인에도 불구하고 유한 요소 해석은 실험값과 동일한 순서로 강도를 예측하였으며, 2.63%의 오차 수준으로 플러시 오버랩의 강도를 정확하게 예측 할 수 있음을 확인하였다.
결과적으로, 본 연구는 이종 복합재료의 조인트 강도를 증가시켜, 이종 복합재료의 사용 가능성 및 분야를 증가시킬 것으로 기대할 수 있다.

In this study, mechanical behaviors of composite overlap joints for EM wave window of CLAS UFS were investigated by finite element analysis, and the predicted behaviors were compared with tensile experiments, indicating that the simulation approach is reasonably in good agreement with the experiments. There are three overlap joint designs used in this study: Staggered overlap, Flush overlap, Hybrid overlap. The experimental results showed high strength in the order of staggered overlap, hybrid overlap, and flush overlap. In terms of structural performance in the tensile mode, the staggered overlap with the highest strength is the most suitable overlap joint for CLAS UFS.
The FEA for the mechanical behavior was conducted with and without adopting a cohesive zone model which can mimic interlaminar behaviors between composite plies. The FEA results showed the same trend as the experimental results, but there is an error in the stress level. In the case of without CZM, hybrid overlap showed the highest accuracy with an error of 4.48% compared to the experimental value, and flush overlap showed an error of 17.3%. On the other hand, in the case of staggered overlap no failure occurred in analysis. In the case of with CZM, flush overlap showed the highest accuracy with an error of 2.63%. However, in the case of hybrid overlap and staggered overlap no failure occurred in analysis. As a result, in the case of flush overlap, the error decreased compared to without CZM. But in the case of staggered overlap and hybrid overlap, the error increased compared to without CZM.
Vulnerable part that transition region from glass fiber or carbon fiber composite to overlap joint has resin pocket, and ply drop, and local stress concentration, which may affect the overall mechanical behavior of the three types of ply overlap deign. In spite of the aforementioned factors, it was confirmed that FEA predicted the strength level in the same order as the experimental value, and could accurately predict the flush overlap with an error of 2.63%
As a result, this study is expected to improve usability of the dissimilar composite material by increasing the joint strength.

제 1장 서 론 1
1.1 연구 필요성 1
1.1.1 섬유 강화 복합재료의 연구 동향 1
1.1.2 이종 복합재료의 필요성 및 적용 분야 2
1.1.3 이종 복합재료 제작에서의 플라이 조인트의 필요성 6
1.2 본 연구의 목적 및 범위 7
제 2장 문헌 연구 8
2.1 섬유 강화 플라스틱의 연구 동향 8
2.2 안테나 일체형 구조 연구 동향 9
2.3 이종 복합재료 접합을 위한 플라이 조인트 연구 동향 10
제 3 장 플라이 오버랩 조인트 강도 측정 12
3.1 플라이 오버랩 조인트 설계 요구조건 및 기존 디자인 컨셉 12
3.2 새로운 플라이 오버랩 조인트 디자인 설계 14
3.3 사용 재료 및 시편 제작 15
3.4 실험 과정 18
제 4 장 결과 및 고찰 20
4.1 인장 실험 결과 및 분석 20
4.2 파손 모드 분석 20
제 5장 유한 요소 해석 26
5.1 파손 해석을 위한 유리섬유 강화 플라스틱 물성 측정 26
5.2 1차 유한 요소 해석 모델링 29
5.3 1차 유한 요소 해석 결과 34
5.4 2차 유한 요소 해석 모델링 39
5.5 2차 유한 요소 해석 결과 45
제 6 장 결 론 47
참고 문헌 49

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