• Composites Research
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• 제33권5호
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• pp.288-295
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• 2020

섬유강화 복합재 적층판은 높은 비강성과 비강도를 가지고 있으며, 자동차 및 항공과 같은 무게에 민감한 산업에서 경량화에 유용할 것으로 기대되고 있다. 하지만 복합재 적층판의 설계는 적층 개수와 적층 순서를 모두 결정해야 하는 어려움으로 인해 설계자의 축적된 경험과 직관에 의존하는 경우가 많고, 이는 필요 이상으로 제품의 중량이 증가하는 과설계로 이어질 수 있다. 본 연구에서는 주어진 하중을 견디고 최소 무게를 갖는 복합재 적층판의 최적설계를 수행하였다. 나열법을 기반으로, 복합재 적층판의 설계 지침을 만족하는 모든 경우의 적층 조합을 고려하였다. 복합재 적층판을 여러 개의 패널로 나누고, 각 패널의 응력 분포와 인접한 패널 간 연결성을 고려하여 최적의 적층 수와 적층 순서를 결정하였다. 강도를 고려하기 위해 Tsai-Wu 파손 이론으로부터 파손 지수를 최적화하였고, 압축 하중에 대해서는 좌굴 해석을 수행하였다. 적층각은 일반적으로 사용하고 있는 0, ±45, 90°를 사용하였다.

• Composites Research
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• 제22권2호
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• pp.7-13
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• 2009

복합재료가 항공기 구조물 및 기계 부품 등에 폭 넓게 적용됨에 따라, 복합재료 구조들에서 가장 취약한 복합재료 체결부의 설계는 매우 중요한 연구분야로 대두되긴 있다. 본 논문에서는 접착 체결구조와 기계적 체결구조의 조합으로 되어 있는 하이브리드 조인트의 파손강도를 평가하고 예측하였다. 피착제의 두께, w/d, e/d가 서로 다른 10가지 하이브리드 조인트 시험편을 제작하여 평가하였다. 접착 체결구조와 기계적 체결구조의 파손 판정을 위해 파손영역법과 파괴면적지수법이 각각 적용 되었으며, 두 체결부위 중 어느 한족이 먼저 파손기준에 도달할 경우, 하이브리드 조인트가 파손되었다고 가정하였다. 이상의 실험과 해석결과로부터, 하이브리드 조인트 시편의 파손강도는 25.5%, 오차 범위 내에서 예측할 수 있었다.

• 한국항공우주학회지
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• 제48권7호
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• pp.505-511
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• 2020

원형 복합재 튜브를 고고도 장기체공 무인기의 주요 스파에 사용하였다. 본 논문에서는 수정된 Brazier 방법을 이용하여 비대칭으로 보강된 원형 스파의 파단하중을 예측할 수 있는 이론적인 모델을 제안하였다. 이 모델을 이용하여 비대칭으로 보강된 원형스파의 최대 허용 굽힘 모멘트를 예측하였다. 해석 결과로부터 원형 스파의 상단에 위치한 보강된 캡은 최대 허용 굽힘 모멘트를 증가시키는 것을 알 수 있다. 4점 굽힘 실험을 수행하여 스파 캡이 파손하중에 미치는 영향을 평가하였고 제안된 모델과 비교하였다. 그리고 수치해석을 수행하여 보강된 원형 스파의 거동을 분석하였다. 제안된 이론적인 모델은 실험 및 수치해석 결과와 잘 일치함을 보였다.

• 한국항공우주학회지
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• 제49권7호
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• pp.549-555
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• 2021

원공이 있는 복합재 적층판의 강도는 복합재 항공기기 설계 시 충격하중이 가해지는 부위의 설계 허용치로 사용된다. 일반적으로 BVID (Barely Visible Impact Damage)에 의한 강도저하는 24.0 mm 폭의 시편에 6.0 mm 지름의 원공이 있는 시편의 강도로 가정한다. 본 연구에서는 원공이 있는 복합재 적층판의 강도에 적층각이 미치는 영향을 조사하기 위해 잔류강도 시험을 수행하였다. 원공이 있는 적층판의 강도를 예측하기 위해 특성길이를 이용한 점응력 파손기준을 사용하였고, 이론해를 검증하기 위하여 유한요소해석을 수행하였다. 실험결과로부터 특성길이는 0°, ±45°와 90°층의 비율과 관련이 있음을 보였다. 또한 회귀분석을 통하여 임의의 적층 패턴에 대한 특성길이와 원공이 없는 시편의 강도를 결정하였다.

• Composites Research
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• 제28권4호
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• pp.212-218
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• 2015

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.

• 센서학회지
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• 제5권6호
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• pp.15-24
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• 1996

본 연구에서는 광섬유센서를 지능형 복합재 구조물에 적용하기 위한 기초적 연구의 일부로서, 구조물내에서의 광섬유센서의 건전성 평가와 주조물에 유발된 변현 및 손상에 대한 광섬유센서의 신호검출 거동을 연구 검토하였다. 첫째로, 최약체결파손이론에 거한 광섬유센서의 누적파손분포를 비교하고 수정계수를 도입함으로써, 굽힘시험이 인장시험을 대신할 수 있음을 보였다. 실험에 의해 Weibull 파라미터를 얻고, 굽힘시험에서 유도된 누적파손분포에 적용될 수정계수를 구했다. 열처리한 강섬유센서와 열처리하지 않은 광섬유센서의 인장강도 평균값을 비교함으로써 복합재료 적층관의 경화 사이클 동안 열처리에 의해 야기되는 광섬유센서의 건전성을 평가하였다. 둘째로, 직교적층판과 일방향적층판의 인장시험에서 측정된 시편의 응력-변형률과 삽입된 광섬유센서를 통과한 레이저신호 세기와의 관계를 검토하고, 광섬유센서를 이용한 효과적 손상검출 가능성을 연구 검토하였다.

• Composites Research
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• 제17권3호
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• pp.15-22
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• 2004

위성 발사체의 추진 기관에 의한 음향 하중은 이륙 시 작용하는 주요한 동적 하중 중 하나로서, 이에 의한 위성이나 탑재물의 파손이 보고되고 있다. 위성이나 탑재물에 작용하는 음향 하중의 강토를 저감하기 위해서는 노즈 페어링의 구조 설계 시 차음 성능을 고려한 설계가 필요하다. 특히 복합재 구조의 경우 금속재 구조에 비해 비강성이 커서 음향 하중의 차음 측면에서는 불리하다. 본 논문에서는 위성 발사체의 노즈 페어링용 복합재 평판의 차음 특성을 살펴보았다. 노즈 페어링 구조로 사용 가능한 4종의 복합재 구조에 대하여 무한판 이론 및 통계적 에너지 해석법(SEA)을 이용하여 차음 성능을 평가하였다. 해석 결과를 토대로 두 종류의 복합재 평판을 제작하여 이에 대한 차음 성능을 측정하고 예측치와 비교를 수행하였다. 이를 바탕으로 무게 대비 차음 성능이 우수한 노즈 페어링용 복합재 구조를 선정할 수 있었다.

• 오토저널
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• 제18권4호
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• pp.1-17
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• 1996

자동차의 안전에 대한 연구는 객실의 변형제한과 승객의 감속도 축소를 위한 여러가지 구조부재의 에너지 흡수능력 및 흡수 메카니즘을 연구하는데 초점이 맞추어져 왔다. 그 이유는 충돌사고시에 인명을 보호하기 위해서는 차제변형에 의한 물리적 접촉의 회피 뿐 아니라 충돌에너지를 적절히 흡수조절하여 충돌력을 감소시키도록 구조부재를 설계함으로써 충돌안전성이 확보되기 때문이다. 충돌에너지 흡수 특성은 구조부재의 단면 형상과 재질에 따라 달라지며 압괴모드도 구분되어진다. 즉, 복합재료의 압축붕괴특성은 금속이나 플라스틱 재질과는 다르다. 일반적으로 복합재는 재질의 파손으로 에너지가 흡수되지만 금속재는 소성변형으로 에너지를 흡수한다. 이때의 붕괴양상은 작용하중에 따라 축방향 붕괴, 굽힘붕괴, 측면붕괴의 경우는 정규압괴모드(compact mode) 및 불규칙압괴모드(noncompact mode)로 나뉘고, 원통쉘의 경우는 축대칭모드 및 다이아몬드형 모드 등으로 나뉠수 있다. 원형 및 사각 튜브는 광범위한 형상비와 후폭비를 가지도록 제작할 수 있으며 산업전반에 걸쳐 널리 쓰이므로 충돌특성 연구의 대상으로 많은 연구들이 진행되어 왔다. 또한, 충돌특성의 해석을 위한 이론적 모델이 제시되었으며 계속적인 보완이 이루어져 오고 있다.

• 한국산학기술학회논문지
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• 제11권9호
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• pp.3176-3183
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• 2010

본 논문은 다축 하중을 받는 복합재 압력용기의 멀티 스케일 피로수명 예측 방법을 제시하였다. 멀티 스케일 접근법은 복합재료의 기본 구성재료인 섬유, 기지 및 섬유/기지 경계면의 거동으로부터 복합재 플라이, 적층판 및 구조물의 전체 거동을 예측한다. 멀티 스케일 피로수명은 거시적 응력 해석과 미시적 피로파손 해석을 통해 예측된다. 유한요소법을 이용하여 복합재 압력용기의 적층판에 가해지는 다축 피로하중을 구하며, 고전적층판이론을 이용하여 적층판의 플라이 응력을 계산하였다. 미소역학 모델을 이용하여 플라이 응력으로부터 각각 섬유, 기지 및 섬유/기지 경계면에 발생되는 응력을 계산하였다. 복합재 구성재료의 피로수명은 섬유에 대해서는 최대응력법을, 기지에 대해서는 등가응력법을, 섬유/기지 경계면에 대해서는 임계평면법을 사용하였다. 평균응력을 고려하기 위하여 수정된 Goodman 식을 적용하였다. 모든 피로하중에 의한 손상은 Miner 법칙을 이용하여 선형 누적이 되고, 이를 통해 최종 피로파손을 판단한다. 섬유와 기지의 물성값, 섬유체적비 및 와인딩 각도의 확률분포에 따른 복합재 압력용기의 피로수명 영향을 분석하기 위해 몬테카르로 시뮬레이션을 수행하였다.

• 해양환경안전학회지
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• 제28권7호
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• pp.1222-1230
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• 2022

로터 블레이드는 조류발전 터빈의 매우 중요한 구성 요소로서, 해수의 높은 밀도로 인해 큰 추력(Trust force)와 하중(Load)의 영향을 받는다. 따라서 블레이드의 형상 및 구조 설계를 통한 성능과 복합소재를 적용한 블레이드의 구조적 안전성을 반드시 확보해야 한다. 본 연구에서는 블레이드 설계 기법인 BEM(Blade Element Momentum) 이론을 이용해 1MW급 대형 터빈 블레이드를 설계하였으며, 터빈 블레이드의 재료는 강화섬유 중의 하나인 GFRP(Glass Fiber Reinforced Plastics)를 기본으로 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastics)를 샌드위치 구조에 적용해 블레이드 단면을 적층(Lay-up)하였다. 또한 유동의 변화에 따른 구조적 안전성을 평가하기 위해 유체-구조 연성해석(Fluid-Structure Interactive Analysis, FSI) 기법을 이용한 선형적 탄성범위 안의 정적 하중해석을 수행하였으며, 블레이드의 팁 변형량, 변형률, 파손지수를 분석해 구조적 안전성을 평가하였다. 결과적으로, CFRP가 적용된 Model-B의 경우 팁 변형량과 블레이드의 중량을 감소시켰으며, 파손지수 IRF(Inverse Reserce Factor)가 Model-A의 3.0^*V_r를 제외한 모든 하중 영역에서 1.0 이하를 지시해 안전성을 확보할 수 있었다. 향후 블레이드의 재료변경과 적층 패턴의 재설계뿐 아니라 다양한 파손이론을 적용해 구조건전성을 평가할 예정이다.