데이터시트 물성으로 복합재 설계를 하면 왜 위험한가 복합재 구조 설계를 하다 보면 자주 반복되는 장면이 있다. 시스템 엔지니어가 소재 제조사에 물성을 요청한다. 제조사는 데이터시트를 보낸다. 도레이첨단소재의 경우 TDS(technical data sheet)가 제공된다. 그 안에는 인장강도, 압축강도, 탄성률, 전단강도 같은 값들이 정리되어 있다. 설계자는 그 값을 구조해석 모델에 넣고 margin을 계산한다. 초기 설계 단계에서는 문제가 없어 보인다. … Read more
복합재 laminate design guideline 5는 다음과 같이 정리된다. Keep a reasonable number of primary load carrying plies away from the outer surfaces. 즉, 주요 하중을 담당하는 primary load-carrying plies를 laminate의 외표면에 너무 많이 배치하지 말라는 뜻이다. Northrop Grumman 보고서에서는 이 규칙의 이유를 다음과 같이 설명한다. Critical ply가 minor impact에 쉽게 손상되지 않도록 하기 위한 것이며, … Read more
복합재 10% rule은 0º, ±45º, 90º 방향에 각각 최소한의 ply를 배치해 laminate가 지나치게 한 방향으로만 강해지는 것을 막는 설계 원칙이다. Northrop Grumman 가이드라인에서는 “laminates will be fiber dominated, having at least 10% of their plies in each of the 0º, ±45º, and 90º directions”로 제시한다. 이 규칙은 완전한 수학적 최적해라기보다, highly orthotropic laminate가 transverse load, … Read more
복합재 시험 데이터 외삽 금지는 단순히 무조건 시험을 통해 확인하라는 의미가 아니다. 복합재료 구조 설계에서 이 원칙은 시험 데이터가 유효한 범위를 벗어나면, 같은 재료처럼 보여도 같은 구조 성능을 보장하지 못한다는 경고의 의미를 가지고 있다. Guideline 3. Do Not Extrapolate Test Data 복합재료에서 강도와 파손은 단순히 하나의 재료상수로 결정되지 않는다. 강화섬유, 기지재, 계면, 경화 조건, 기공, … Read more
Balanced laminate란 무엇인가 하는 문제는 symmetric laminate에 비해 현업에서 많이 다루어지지 않고 있다. Balanced laminate는 특정 각도 +θ\theta ply가 적용이 되면 –θ\theta의 ply가 쌍으로 들어가야 한다는 말이다. 이 지침은 단순히 +θ\theta ply와 –θ\theta ply를 맞추라는 것보다 면내 인장·압축 변형과 저난 변형이 서로 섞이지 않도록 만들어야 한다는 말이다. 앞선 복합재 적층판은 왜 대칭 적층이어야 하는가 글에서 … Read more
복합재료 적층판에서 대칭 적층이 필요한 이유는 extension-bending/torsion coupling과 cure warpage를 줄이기 위해서라 볼 수 있다. 항공 복합재 구조 설계에서 많은 설계 지침(design guidelines)들이 알려져 있지만 대체로 구두로 전달이 되고 왜 그렇게 해야 하는지에 대해서 심도있게 다루는 일이 드물다. 이런 지침들은 우주 발사체, 전투기 등의 개발에서 오랜 기간동안 연구개발이나 실패를 통해 얻게된 지식들로 단순한 이론 기반의 … Read more
복합재료에서 Rule of Mixtures는 섬유와 수지를 혼합했을 때 혼합비에 따른 복합재료의 유효 물성을 1차로 예측하는 가장 기본적인 방법이다. 이름 그대로 “혼합 법칙”이다.섬유가 얼마나 들어가고, 수지가 얼만큼 들어가며, 각 성분의 물성이 얼마인지 알면 복합재료의 일부 물성을 대략적으로 추정할 수 있다. Rule of Mixtures는 단순한 공식이지만 고려해야 일부 사항에 대해서도 고려를 해야 한다. 복합재료 물성은 섬유 물성, … Read more
복합재료 물성값은 금속 재료처럼 탄성계수 하나와 항복강도 하나로 정리되지 않는다. 복합재료에 익숙하지 않은 엔지니어들이 쉽게 가질 수 있는 생각이 탄소섬유의 인장강도가 얼마가 되니까 이 정도로 설계를 하면 되겠다는 것인데 이것은 심각한 취약성을 함께 가지게 된다는 것이다. 탄소섬유의 물성, lamina의 물성은 실제 구조 부재가 되는 laminate의 물성과 다르다는 것을 인식해야 한다. 그리고 laminate의 물성을 계산하기 위해 … Read more
복합재료에서 Lamina와 Laminate의 차이는 물성을 이해하기 위한 가장 기본적인 구분이다.특히 탄소섬유 복합재료(CFRP), 유리섬유 복합재료(GFRP), UD Prepreg, woven fabric laminate를 다룰 때 이 구분이 흐려지면 설계 물성, 시험 결과, CAE 입력값을 잘못 해석하기 쉽다. 간단히 말하면 다음과 같다. 구분 의미 Lamina 하나의 단일 층, 또는 하나의 ply Laminate 여러 lamina가 특정 방향과 순서로 쌓인 적층판 즉, … Read more
복합재료에서 물성이란 무엇인가를 단순히 “강도가 얼마인가”, “탄성률이 얼마인가” 같은 숫자 질문으로 다루기 시작하면 실제 설계와 개발에서는 쉽게 오해가 생긴다. 복합재료에서는 공급사나 제조사가 제시하는 어떤 수치 하나를 바로 구조해석과 설계에 넣는 방식이 종종 위험하다. 그 이유는 단순하다. 복합재료는 금속이나 일반적인 등방성(isotropy) 재료와 달리, 재료를 만드는 과정 자체가 성능을 함께 만든다. 탄소섬(carbon fiber) lot, 프리프레그 batch, 수지 … Read more