KR101809680B1 - 설계 조건에 따른 cfrp 물성 데이터 획득 방법 - Google Patents

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Abstract

개시된 본 발명에 따른 설계 조건에 따른 CFRP 물성 데이터 획득 방법은, a) 탄소섬유와 수지로 구성된 탄소섬유복합재료(Composite Fiber Reinforced Plastics:CFRP)의 기초실험에 의해 얻어진 기본물성 시험데이터를 사용자로부터 입력받는 단계; b) 상기 a)단계에서 입력된 CFRP의 기본물성 시험데이터와 상기 CFRP를 구성하는 탄소섬유의 축방향탄성률(Fiber Longitudinal Modulus) 및 수지의 프와송비(Matrix Poisson's Ratio)를 이용하여, 상기 탄소섬유와 수지 각각의 물성과 탄소섬유와 수지와의 비율(Fiber Volume Ratio:FVR) 및 CFRP의 기포함유량(Void Volume Ratio:VVR)을 구하는 단계; c) CFRP의 적층각도와 두께를 포함하는 적층조건을 사용자로부터 입력받는 단계; 및, d) 상기 b)단계에서 구해진 탄소섬유와 수지 각각의 물성, FVR, VVR 및 상기 c)단계에서 입력된 CFRP의 적층조건을 이용하여, 적층조건에 따른 CFRP의 물성 데이터를 구하는 단계;를 포함한다.

Description

설계 조건에 따른 CFRP 물성 데이터 획득 방법{Method for Obtaining the Materila Data of Composite Fiber Reinforced Plastics by Changing Design Condition}
본 발명은 설계 조건에 따른 CFRP 물성 데이터 획득 방법 관한 것으로서, 보다 상세하게는 탄소섬유복합재(CFRP)가 적용되는 제품 및 부품에서 요구하는 강도나 강성과 같은 물성 데이터를 실제 실험에 의해 얻는 것이 아니라 유한요소해석에 의해 얻을 수 있도록 하는 설계 조건에 따른 CFRP 물성 데이터 획득 방법에 관한 것이다.
자동차의 연비 효율을 높이는 방안으로 경량 설계의 문제가 중요시 되고 있다. 경량 설계는 제품이 요구하는 기능적인 필수 사항과 가장 가벼운 무게를 만들어야하는 요구 사이에서 이상적인 균형을 찾는 것이 최종 목표이다.
경량 설계를 실현하기 위해 각 자동차 어셈블리 및 부품 같은 자동차의 개발에 필요한 모등 영역에서 노력을 기울이고 있는데, 그중에서도 차체의 무게를 감소하는 것에 초점을 맞추고 있다. 그 이유는 차량의 전체 무게에서 가장 큰 부분을 차지하는 것이 차체이기 때문이다.
차체의 무게를 낮추기 위해 알루미늄합금 또는 탄소복합재 등 경량의 소재에 대한 관심이 증가하고 있다. 특히 탄소복합재는 일정의 강도와 강성을 가지면서 중량을 되도록 낮게 설계하는 것이 가능하여 그러한 설계는 혁신적인 소재를 통해 달성될 수 있다.
CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastics)는 탄소섬유를 강화재로 하는 플라스틱계 복합재를 의미하는 것으로서, 고강도·고탄성의 경량 구조재로 주목을 받고 있는 첨단 복합재료이다.
도 1을 참조하면, 이와 같이 CFRP는 탄소섬유와 플라스틱 등의 수지로 구성되는데, 탄소섬유는 방향성을 갖는 이방성 재료로 탄소섬유 구성 방법(적층방향)과 두께에 따라 물성 특성이 달라지고, 수지는 종류, 경화시간 및 온도에 따라 수지물성이 변하는 특성을 가지고 있다. 또한 탄소섬유와 수지와의 비율(Fiber Volume Ratio:FVR)과, CFRP의 기포함유량(Void Volume Ratio:VVR)에 따라서도 물성이 달라지게 된다. 따라서 CFRP는 이들 두 개 재료의 복합적인 설계 요소에 따라 매우 다양하며 예측이 힘든 물성 특성을 가지고 있다.
이와 같이 CRRP는 재료에 따른 제작방법이 변할 때마다 기계적 물성 특성이 달라지기 때문에 그에 대응되게 매번 별도의 실험이 요구되며, 이는 많은 시간과 노동력이 요구되므로 결국 비용 증가의 문제점을 가져오게 된다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로써, 탄소섬유복합재(CFRP)가 적용되는 제품 및 부품에서 요구하는 강도나 강성과 같은 물성 데이터를 실제 실험에 의해 얻는 것이 아니라 유한요소해석에 의해 얻을 수 있도록 하는 설계 조건에 따른 CFRP 물성 데이터 획득 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 설계 조건에 따른 CFRP 물성 데이터 획득 방법은, a) 탄소섬유와 수지로 구성된 탄소섬유복합재료(Composite Fiber Reinforced Plastics:CFRP)의 기초실험에 의해 얻어진 기본물성 시험데이터를 사용자로부터 입력받는 단계; b) 상기 a)단계에서 입력된 CFRP의 기본물성 시험데이터와 상기 CFRP를 구성하는 탄소섬유의 축방향탄성률(Fiber Longitudinal Modulus) 및 수지의 프와송비(Matrix Poisson's Ratio)를 이용하여, 상기 탄소섬유와 수지 각각의 물성과 탄소섬유와 수지와의 비율(Fiber Volume Ratio:FVR) 및 CFRP의 기포함유량(Void Volume Ratio:VVR)을 구하는 단계; c) CFRP의 적층각도와 두께를 포함하는 적층조건을 사용자로부터 입력받는 단계; 및, d) 상기 b)단계에서 구해진 탄소섬유와 수지 각각의 물성, FVR, VVR 및 상기 c)단계에서 입력된 CFRP의 적층조건을 이용하여, 적층조건에 따른 CFRP의 물성 데이터를 구하는 단계;를 포함한다.
상기 a) 단계에서 기본물성 시험데이터는 인장 0°(Longitudinal Tension) , 인장 90°(Transverse Tension) , 압축 0°(Longitudinal Compression) , 압축 90°(Transverse Compression), 전단(Sheer) 각각의 응력(stress) 및 계수(modulus)이다.
상기 d) 단계에서 구하는 CFRP의 물성 데이터는, 각 방향의 계수(Modulus), 프와송비(Possion's Ratio), 스트레스(Stress), 스트레인(Strain)을 포함한다.
상기 d) 단계에서 구해진 적층조건에 따른 CFRP의 물성 데이터는 Carpet Plot과 같은 그래프 형태로 작성되어 디스플레이부 화면에 표시되는 단계;를 더 포함한다.
본 발명에 의하면 설계조건에 따른 제작방법이 변할 때마다 매번 별도의 실험에 의해 기계적 물성 데이터를 구하지 않아도, 기초실험에 의한 기본적 물성 및 몇가지 데이터만 입력하면 CFRP의 기계적 물성을 구할 수 있으므로, CFRP가 적용되는 제품 또는 부품에 요구하고자 하는 강도 및 강성을 가지는 CFRP를 쉽고 편리하게 구할 수 있는 있으므로 시간과 비용을 획기적으로 절약할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 탄소섬유복합재료(CFRP)의 구조를 나타낸 도면,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 설계 조건에 따른 CFRP 물성 데이터 획득 방법의 흐름도,
도 3은 CFRP의 기초실험에 사용되는 5가지 시험편의 예시도,
도 4는 CFRP의 기초실험을 설명하는 도면,
도 5는 본 발명에 사용되는 컴퓨터 장치의 유한요소해석 프로그램인 MCA(Material Constituent Analysis) 모듈의 예시 화면,
도 6 및 도 7은 도 5의 MCA 모듈에 의해 실행된 탄소섬유와 수지 각각의 물성 결과를 나타낸 화면,
도 8은 도 5의 MCA 모듈과 기초물성실험에 의해 적용된 탄소섬유와 수지 각각의 물성을 비교한 그래프,
도 9는 본 발명에 사용되는 컴퓨터 장치의 유한요소해석 프로그램인 GENOA_PFA 모듈의 예시 화면,
도 10 및 도 11은 도 9의 GENOA_PFA 모듈에 의해 실행된 CFRP의 물성 결과를 나타낸 화면,
도 12는 본 발명에 의한 여러 적층조건(적층각도 및 두계)에 따른 결과를 Carpet Plot과 같은 그래프 형태로 나타낸 도면이다.
본 발명의 상기와 같은 목적, 특징 및 다른 장점들은 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명함으로써 더욱 명백해질 것이다.
(실시예)
이하 도 2를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 설계 조건에 따른 CFRP 물성 데이터 획득 방법에 대해 상세히 설명하기로 한다.
먼저 탄소섬유복합재료(Composite Fiber Reinforced Plastics:CFRP)의 기초실험에 따른 기본물성 시험데이터를 획득하고 이를 본 발명을 구현하기 위한 컴퓨터 장치에 입력한다(S110). 여기서 기본물성은 인장 0°(Longitudinal Tension) , 인장 90°(Transverse Tension) , 압축 0°(Longitudinal Compression) , 압축 90°(Transverse Compression), 전단(Sheer) 포함하는 최소 5개의 기본물성을 의미한다. 그리고 이 5가지 기본물성에 대한 각각의 응력(stress) 및 계수(modulus)를 구하는데, 이것이 기본물성 시험데이터를 의미한다.
그 후, 상기 입력된 CFRP의 기본물성 시험데이터와 상기 CFRP를 구성하는 탄소섬유의 축방향탄성률(Fiber Longitudinal Modulus) 및 수지의 프와송비(Matrix Poisson's Ratio)를 이용하여, 상기 탄소섬유와 수지 각각의 물성과 탄소섬유와 수지와의 비율(Fiber Volume Ratio:FVR) 및 CFRP의 기포함유량(Void Volume Ratio:VVR)을 구한다(S120).
상기 CFRP의 기본물성 시험데이터, 탄소섬유의 축방향탄성률, 수지의 프와송비 정보를 컴퓨터 장치에 입력하여 탄소섬유와 수지 각각의 물성을 구하게 된다.
상기 탄소섬유의 축방향탄성률(Fiber Longitudinal Modulus) 및 수지의 프와송비(Matrix Poisson's Ratio) 정보는 각 제품의 제조사에서 공개를 하므로 이를 이용하면 된다. 또한 상기 FVR 및 VVR은 반복적 실험 결과에 의해 데이터인데, CFRP의 기본물성 시험데이터, 탄소섬유의 축방향탄성률, 수지의 프와송비 정보가 입력되면 본 발명의 장치에 의해 구해질 수 있다.
여기서 산출되는 탄소섬유와 수지 각각의 물성은 각 방향의 계수(Modulus), 프와송비(Poisson Ratio), 강도(Strength)이다.
그 후 CFRP의 적층각도와 두께를 포함하는 적층조건을 사용자로부터 입력받게 된다(S130).
마지막으로 상기 단계에서 구해진 탄소섬유와 수지 각각의 물성, FVR, VVR 및 상기 CFRP의 적층조건을 이용하여, 적층조건에 따른 CFRP의 물성 데이터를 구하게 된다(S140).
산출된 CFRP의 물성 데이터는 그래프 형태로 작성되어 디스플레이부 화면에 표시되며(S150), 각 적층조건에 따른 물성 결과가 Carpet Plot과 같은 그래프형태로 표시될 수 있다. 따라서 사용자는 원하는 강도 또는 강성을 갖는 CFRP를 실험이 아닌 그래프에서 알 수 있게 된다.
이와 같이 본 발명에 의하면 재료에 따른 제작방법이 변할 때마다 매번 별도의 실험에 의해 기계적 물성 데이터를 구하지 않아도, 기초실험에 의한 기본적 물성 및 몇가지 데이터만 입력하면 CFRP의 기계적 물성을 구할 수 있으므로, CFRP가 적용되는 제품 또는 부품에 요구하고자 하는 강도 및 강성을 가지는 CFRP를 쉽고 편리하게 구할 수 있는 이점이 있다.
(실험예)
CFRD 기초실험에 의한 기본물성 시험데이터 획득
각 ASTM 규격에 맞추어 CRFP 시험편(Specimen)을 도 3과 같이 제작하고, 각 시험편을 Tension Jig, Compressio Jig, Shear Jig를 사용하여 적정 하중을 적용하여 5가지 기초물성 시험데이터를 얻기 위한 시험을 도 4와 같이 시행하였다. 본 실험예에 적용되는 탄소섬유는 125g/㎡, 수지는 resin을 적용하였다. 각 시편의 중앙부에 스트레인게이지를 부착하고 UTM(Univeral Testing Machine) 장비를 사용하여 2mm/min의 속도로 하중을 적용하였다. 스트레인게이지에서의 변형량은 Strain Meter 6200장비를 사용하여 데이터를 획득하였고 하중량은 UTM에서 데이터를 획득하였다. 각각 얻어진 데이터들을 Stress-Strain Curve로 만들고 강도와 탄성계수를 얻었다. 실험에서 얻어진 데이터는 하기 표 1에 나타내었다.
Tensio 0° Tensio 90° Compression 0° Compression 90° Shear
Stress(GPa) 1.66 0.0267 0.537 0.177 0.047
Modulus(GPa) 124.6 10.69 126.39 4.74 3.953
CFRP의 기본물성 시험데이터, CFRP를 구성하는 탄소섬유의 축방향탄성 률(Fiber Longitudinal Modulus) 및 수지의 프와송비 (Matrix Poisson's Ratio) 입력
도 5을 참조하면, CFRP 기초실험 물성데이터, 탄소섬유의 축방향탄성률(Fiber Longitudinal Modulus) 그리고 수지의 프와송비(Matrix Poisson's Ratio)를 본 발명을 적용하기 위한 컴퓨터 장치의 유한요소해석 프로그램인 MCA(Material Constituent Analysis) 모듈에 적용한다.
Fiber Longitudinal Modulus 와 Matrix Poisson's Ratio는 제조회사(SK Chemical)에서 데이터를 제공하므로 이를 입력하였다. 그리고, 상기 FVR 및 VVR은 반복적 실험 결과에 의해 데이터로서 이 값을 MCA 모듈에 적용한다.
탄소섬유와 수지 각각의 물성 생성
위 MCA 모듈에 적용한 결과 탄소섬유와 수지 각각의 물성은 도 6(탄소섬유 물성) 및 도 7(수지 물성)에 나타난다.
Fiber Properties, Matrix Properties, Fiber Volume Ratio, Void Volume Ratio를 가지고 탄소섬유 물성과 수지 물성요소가 실제실험결과와 동일한 데이터를 얻을 수 있는지 확인하기 위하여 비선형해석까지 가능한 탄소섬유/기지 물성 그리고 기지 응력-변형률데이터를 획득하였다. 실제 기초실험과 동일한 조건으로 유한요소해석을 진행하였고 도 8과 같이 기초실험과 유한요소해석이 거의 유사한 결과를 얻었다.
적층조건에 따른 CFRP의 물성 획득
위 실험에서 얻어진 탄소섬유와 수지 각각의 물성, FVR, VVR 및 입력된 CFRP의 적층조건을, 도 9와 같이 본 발명의 컴퓨터 장치의 유한요소해석 프로그램인 GENOA_PFA 모듈에 입력하여 CFRP의 물성을 획득하게 된다. 여기서 CFRP의 적층조건은 적층각도(Angle)와 두께(20층, 각층 두께(Thickness)는 0.115(mm))이며 이는 사용자로부터 입력받게 된다. 그리고, 탄소섬유와 수지 각각의 물성, FVR, VVR 값은 전단계에서 얻어진 값이므로 도면의 좌측에 나타난 바와 같이 자동으로 입력되게 된다.
도 10 및 도 11은 GENOA_PFA 모듈의 실행에 의한 CFRP의 물성 결과치의 일 예를 나타낸 것이다.
Carpet Plot 그래프 표시
한편, 본 발명에 의하면 여러 적층조건(적층각도 및 두계)에 따른 결과를 도 12와 같은 Carpet Plot과 같은 그래프 형태도 작성 및 컴퓨터 장치의 디스프레이부에 표시함으로써, 사용자는 원하는 강도 또는 강성을 갖는 CFRP를 실험이 아닌 그래프에서 알 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니한다. 즉, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능하며, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정의 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.

Claims (4)

  1. a) 탄소섬유와 수지로 구성된 탄소섬유복합재료(Composite Fiber Reinforced Plastics:CFRP)의 기초실험에 의해 얻어진 기본물성 시험데이터를 사용자로부터 입력받는 단계;
    b) 상기 a)단계에서 입력된 CFRP의 기본물성 시험데이터와 상기 CFRP를 구성하는 탄소섬유의 축방향탄성률(Fiber Longitudinal Modulus) 및 수지의 프와송비(Matrix Poisson's Ratio)를 이용하여, 상기 탄소섬유와 수지 각각의 물성과 탄소섬유와 수지와의 비율(Fiber Volume Ratio:FVR) 및 CFRP의 기포함유량(Void Volume Ratio:VVR)을 구하는 단계;
    c) CFRP의 적층각도와 두께를 포함하는 적층조건을 사용자로부터 입력받는 단계;
    d) 상기 b)단계에서 구해진 탄소섬유와 수지 각각의 물성, FVR, VVR 및 상기 c)단계에서 입력된 CFRP의 적층조건을 이용하여, 적층조건에 따른 CFRP의 물성 데이터를 구하는 단계;를 포함하며,
    상기 a) 단계에서 기본물성 시험데이터는 인장 0°(Longitudinal Tension) , 인장 90°(Transverse Tension) , 압축 0°(Longitudinal Compression) , 압축 90°(Transverse Compression), 전단(Sheer) 각각의 응력(stress) 및 계수(modulus)이며,
    상기 d) 단계에서 구하는 CFRP의 물성 데이터는, 각 방향의 계수(Modulus), 프와송비(Possion's Ratio), 스트레스(Stress), 스트레인(Strain)을 모두 포함하는 것을 특징으로 하는 설계 조건에 따른 CFRP 물성 데이터 획득 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 d) 단계에서 구해진 적층조건에 따른 CFRP의 물성 데이터는 Carpet Plot 그래프 형태로 작성되어 디스플레이부 화면에 표시되는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 설계 조건에 따른 CFRP 물성 데이터 획득 방법.
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