초록
본 연구에서는 AFP 장비를 이용하여 대형 복합재 스파 구조를 제작하고, 스파 구조에서 가장 취약한 부분인 코너부(Corner radius)에 대한 굽힘강도 시험과 해석을 수행하였다. 국내에서 AFP를 이용한 제품 제작기술이 보편화되지 않은 초기단계임을 고려하여, 복합재 스파 제작을 위한 맨드릴 설계 및 해석에서 구조 검증시험에 이르기까지의 전 과정을 요약, 정리하였다. 맨드릴 설계에서는 자중과 장비 하중에 의한 처짐, 응력, 열변형, 고유진동수 등을 고려하였다. 대상 시제품은 대형 C-스파이고 AFP로 제작한 후 오토클레이브에서 성형하였다. 제품의 성능 확인을 위해 스파 코너부에서 시편을 채취하여 4점 굽힘시험과 비선형 강도해석을 수행하여 제작된 구조물이 이론적 구조강도에 근접하는 강도를 보이는지 점검하였다. 연구결과, 제안된 공정을 사용하여 제작한 대형 C-스파의 코너부는 최초층 파손이론을 사용한 이론적 강도대비 20% 이내의 차이를 보이는 것을 확인하였고, 향후 양산용 대형 복합재 구조물 제작에 적용될 수 있는 가능성을 확인하였다.
A large composite spar was manufactured using an automatic fiber placement (AFP) machine. To verify its structural performance, the weakest part of the structure, which is called 'corner radius', was tested under bending and examined by finite element analysis. Since the application of AFP machine to composite structure fabrication is still in early stage in Korea, this paper presents the summary of whole process for manufacturing composite spar using AFP machine from mandrel design and analysis to verification test. The deflection and stress by mandrel weight and AFP machine force, thermal deformation and natural frequency were all examined for mandrel design. The target structure was composite C-spar and cured in an autoclave. Test results were compared with nonlinear finite element analysis results to show that the structure has the strength close to the theoretical value. It was confirmed that the corner radius of the spar manufactured by AFP process showed deviation less than 20% compared with first ply failure strength. The results indicate that the AFP technology could be used for large scale composite structure production in the near future.
