The fatigue characteristics of glass fiber reinforced plastic (GFRP) composites were studied under repeated loads using the finite element method (FEM). To realize the material characteristics of GFRP composites, Digimat, a mean-field homogenization tool, was employed. Additionally, the micro-structures and material models of GFRP composites were defined with it to predict the fatigue behavior of composites more realistically. Specifically, the fatigue characteristics of polybutylene terephthalate with short fiber fractions of 30wt% were investigated with respect to fiber orientation, stress ratio, and thickness. The injection analysis was conducted using Moldflow software to obtain the information on fiber orientations. It was mapped over FEM concerned with fatigue specimens. LS-DYNA, a typical finite element commercial software, was used in the coupled analysis of Digimat to calculate the stress amplitude of composites. FEMFAT software consisting of various numerical material models was used to predict the fatigue life. The results of coupled analysis of linear and nonlinear material models of Digimat were analyzed to identify the fatigue characteristics of GFRP composites using FEMFAT. Neuber’s rule was applied to the linear material model to analyze the fatigue behavior in LCF regimen. Additionally, to evaluate the morphological and mechanical structure of GFRP composites, the coupled and fatigue analysis were conducted in terms of thickness.

조합하중 작용 시 현무암섬유 강화 복합재료(BFRP) 플레이트의 좌굴거동에 대한 해석적 연구를 유한 요소법(FEM)을 통하여 평가하였다. 복합재료 플레이트 내에서 고려될 수 있는 경계 조건, 치수의 종횡비 및 하중 조건과 같은 다양한 매개변수에 대한 영향성을 연구하였다. BFRP의 역학적 성질은 국내에서 제작된 시편을 이용하여 인장 및 면내 전단 실험을 통하여 구하였다. 산정된 물성치를 토대로 고전적인 판 이론을 이용하여 대칭으로 적층된 판을 우선적으로 분석하였다. 그 결과 2축 및 전단에 대한 조합 하중의 경우, 종횡비가 0.5∼1.0 일 때 좌굴하중이 빠르게 감소한다는 것을 알 수 있었다. 이와 반대로, 종횡 비가 1.0∼2.5 일 때는 좌굴하중이 약간 감소하는 경향이 보였다. 또한, 기존 축 방향 하중의 평면 내 전단 하중을 조합하여 추가할 경우 플레이트 판 내의 좌굴하중 감소가 약 4% 정도로서 큰 영향을 미치지 못함을 알 수 있었다.

일반적으로 CFRP 레저선박의 상부구조물은 동급전장 타 선박보다 매우 작은 경향을 보이고 있는데, 이는 풍압면적에 의한 횡요저항력과 밀접한 관련이 있는 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 CFRP 레저선박의 이러한 상부구조물 형상 특성을 풍압면적 변화에 따른 복원안정성 분석을 통해 파악하고자 한다. GFRP 레저선박과 CFRP 레저선박의 선체 및 상부구조물 형상 특성을 상호 비교하고, CFRP 레저선박의 상부구조물 형상변화를 통해 그 변화가 복원안정성에 미치는 영향에 대해 분석하였다. 이를 위해 GFRP, CFRP 레저선박 총 10척의 형상을 비교, 분석하여 선체와 상부구조물 간의 형상 추세를 파악하였고, ISO 12217에 따른 횡요저항력 추정 및 복원안정성 평가 프로그램 개발을 통해 상부구조물의 형상 변화와 복원안정성 간의 관계를 분석하였다. 연구결과, CFRP 레저선박의 풍압면적 분포경향은 GFRP 레저선박과 비슷하였으나, 상대적으로 상부구조물 형상 비율은 절반정도 크기에 그치는 경향을 보였다. 또한 CFRP 레저선박의 상부구조물 크기를 동급전장의 GFRP 선박 상부구조물 면적 비율 이상(10%) 증가시키는 경우 횡요저항력에 의한 복원성능에 문제가 발생하는 것을 확인할 수 있었다.

In this study, carbon fiber reinforced plastic and aluminum foam used in impact absorber are assembled and modelled. These models are investigated by impact simulation and verified by experimental data. Impact energies of 30 J, 60 J and 100 J are applied on these specimens by striker. For example the experiment for impact energy of 30 J is done and verified by referring to analysis result. As the structural safeties of these assembled composite materials can be anticipated through this study result, these simulation analysis results can be applied into real field.

해양레저 활동의 범위가 점차 원거리 항해로 확대되면서 거주가 가능한 크루즈보트가 각광받고 있다. 해양레저산업 선진국인 유럽, 북미의 경우 미려한 디자인, 인간공학적 구조 그리고 경량선체 소재 채택을 통한 연료효율 향상 등 크루즈보트의 설계와 제작에 있어 이미 경쟁력을 확보하고 있다. 반면, 국내의 경우 소형 레저보트 중심의 개발, 건조가 이뤄지고 있으며, 선체소재 또한 유리섬유강화복합재료(GFRP)가 대부분을 차지하고 있다. 본 연구에서는 원양항해가 가능한 50피트급 탄소섬유강화복합재료(CFRP) 선체 크루즈보트의 설계 및 특성에 관한 연구를 수행하였다. CFRP 선체 레저보트의 선형특성을 분석하여 설계선(MMU-C.B)의 선형을 제안하였으며, 이를 기반으로 CFRP 크루즈 보트의 설계모델을 구축하였다. 또한 GFRP 레저선박의 모형시험결과와 MMU-C.B 설계결과의 조선공학적 비교검토를 통해 설계선의 형상 그리고 저항 및 활주자세 특성을 분석하였다.

The characteristics of abrasive wear on sliding speed of glass fiber reinforcement (GF/PUR) composites were investigated at ambient temperature by pin-on-disc friction test. The cumulative wear volume, friction coefficient and surface roughness of these materials on sliding speed were determined experimentally. The major failure mechanisms were lapping layers, deformation of resin, ploughing, delamination, and cracking by scanning electric microscopy (SEM) photograph of the tested surface. As increasing the sliding speed the GF/PUR composites indicated higher friction coefficient. The surface roughness of the GF/PUR composites was increased as the sliding speed was higher in wear test.

탄소섬유로 보강한 에폭시 복합재료를 필라멘트 와인딩 공법으로 제조하고 이의 기계적 및 전기적 특성을 연구하였다. 사단자법으로 제작한 UD-CFRP의 전기비저항을 유리전이 온도 부근에서 온도의 함수로서 알아보았다. 실온에서 세로 전기비저항 ρa와 가로 전기비저항 ρc는 방향에 따른 강한 이방성을 보였으며 이들의 비는 약 1:3000이었다. UD-CFRP 시편의 세로 및 가로 전기비저항은 처리된 에폭시 물질의 유리전이 온도 Tg 아래에서는 온도에 선형으로 감소하는 거동을 보였다. 그러나 Tg 위에서 UD-CFRP의 가로 전기비저항은 금속과 같은 거동을 나타내며 온도의 지수승에 비례하여 증가하였다. 전기비저항이 양의 온도 계수를 갖는 메커니즘은 Tg 위에서 온도가 증가함에 따라 탄소섬유 사이의 접촉이 끓어져서 전하운반자의 깡총뛰기나 터널링이 감소하기 때문으로 생각된다. 세로방향의 dc 전도에 관한 활성화 에너지는 Tg 아래에서 0.005 eV이고, Tg 위에서는 0.08 eV이었다.

Because of the inherent flexibility in their design for improved material properties, composites have wide applications in aerospace vehicles and automobiles. The purpose of this study is to investigate the energy absorption characteristics of CFRf (Carbon Fiber Reinforced Plastics) tubes on static and impact tests. Static compression tests have been carried out using the static testing machine(Shin-gang buckling testing machine) and impact compression tests have been carried out using the vertical crushing testing machine. When such tubes were subjected to crushing loads, the response is complex and depends on the interaction between the different mechanisms that control the crushing process. The collapse characteristics and energy absorption were examined. Trigger and interlaminar number affect the energy absorption capability of CFRP tubes.

섬유강화 세라믹스 복합재료의 파괴예측 가능성을 알아보기 위해서 탄소섬유와 WC분말입자를 전기 전도상으로 이용하여 재료 스스로가 파괴예측 기능을 가지도록 한 SiC섬유강화 Si3N4세라믹스기 복합재료를 1773K에서 1시간 동안 hot-press하여 제작하였다. 4점 굽힘 시험하는 동안 전기저항 변화를 측정하여 파괴예측 기능을 평가하였다. 그 결과 전기정항은 재료의 파괴거동과 밀접한 관계를 가지면서 변화함을 알았다. 특히 분말형태의 전기전도상의 첨가는 본 복합재료의 파괴과정을 낮은 응력단계로부터 예측하는데 유용하였다. 결과적으로 이러한 재료설RP의 신개 (파괴예측기능)의도입은 Si3N4기 세라믹스를 구조재료로 이용함에 있어서 큰 문제가 되고 있는 신뢰성 확보에 새로운 기능을 준다고 생각되었다. 생각되었다.

전면재를 알루미나, 후면재를 Kevlar또는 S-2 유리 섬유강화 복합재료로 접합한 이종재료 장갑에 대하여 알루미나의 두께 변화와 복합재료의 적층구조에 따른 고속충격 특성 변화에 대하여 연구하였다. 또한 시험재료의 동적 관통현상을 분석하기 위하여 고속촬영기법이 이용되었다. 시험결과, 전면재인 알루미나는 충격탄자 직경의 80% 상당하는 두께(본 실험에서는 6nm)인 경우 양호한 방탄성능을 보였다. 후면재인 복합재료는 섬유를 alternating 주조로 적층한 경우가 laminar구조로 적층한 것에 비하여 더 우수한 방탄성능을 나타내었다.

유리섬유와 에폭시 수지와의 계면전단강도에 미치는 수분흡수, 섬유직경 및 섬유의표면상태 등의 영향을 검토하기 위해서 two fiber fragmentation 시험법을 사용하였다. 그리고 유리섬유/에폭시 수지의 일방향 복합재료에서 수분흡수가 복합재료의 기계적 성질에 미치는 영향에 대해서도 검토하였다. 그 결과, two fiber fragmentation시험에서 계면전단강도는 수분흡수량 및 섬유직경이 클수록 작게 나타났으며, sizing한 것이 desizing한 것보다 크게 나타났다. 또 수분흡습에 의해 감소되었던 계면전단강도는 건조에 의해서 처음의 값의 약 50-60%까지 회복됨을 나타내었다. 그리고 일방향 복합재료의 인장강도는 수분흡수량이 증가함에 따라 현저히 감소함을 보였다.

열가소성 고분자 복합재료 개발을 위하여 매트릭스 수지로는 폴리프로필렌섬유(PP)를 사용하고 유기계 강화소재로 폴리비닐알코올(비닐론, VF), 아라미드(케블라-49, KF) 및 폴리아미드섬유(PAF)등을 사용하였다. 복합매트제조장치로서 복합매트를 제조하고 가열.압축하여 고분자 복합재료를 성형하였다. 제조한 고분자 복합재료의 형태학, 유변학적 및 기계적특성 등을 측정하였다. 형태학에서 미트릭스와 강화섬유 간의 젖음성은 강화섬유의 함량이 증가함에 따라 감소하는 경향을 보였다. PAF/PP와 VF/PP 복합재료에 대한 점성도는 낮은 주파수 영역에서 강화섬유의 함량이 증가됨에 따라 증가하였으나, 높은 주파주 영역에서 5-20wt%로 강화된 복합재료는 매트릭스인 PP에 근접하게 감소된 점성도를 나타냈다. 기계적 특성은 강화 섬유의 함량에 따라 변하였으며, VF/PP 및 KF/PP 복합재료가 PAF/PP 계에 비해 우수한 현상을 보였다.

The study was conducted to evaluate reliability of the longitudinal tensile properties of unidirectional carbon fiber reinforced composites. Two kinds of carbon fiber reinforced composites laminates were tested in order to examine the factors of variability and have the information concerning reliability improvement. Temperature dependence of the strength and its variability were investigated by means of testing at two kinds of temperatures. Statistical distributions of the respective mechanical properties were obtained from the tensile tests. As a result, strength of composites was directly proportional to the ultimate strain and was not proportional to the elastic modulus. The fracture behavior in bending of notched plate was studied for a composite material. The uniform bending tests of notched plates have been carried out for a wide range of notch radii. The experiment shows that the nominal stress at failure decreased with decreasing notch radius and it approaches a constant value when the notch radius is less than about 0.3mm. The critical maximum stress is governed by notch root radius alone in the case of a constant thickness of specimen.

S-2유리섬유직물과 폴리에스터 수지로 구성된 적충복합재료를 케블라 49 Thread로 1/2인치, 1인치 2인치 간격으로 스티칭하여 스티칭 간격에 따른 물성과 충격 강도의 변화로부터 최적스티칭 조건을 구하였으며 또한 스티칭하지 않은 적층복합재료와의 물성차를 비교연구하였다. 인장실험과 3점굽힘실험을 통해 시편의 종류별 기본 물성을 알아보았고, 234.7J의 충격에너지를 가해 시편의 파단 현상과 에너지 흡수 능력을 조사하였다. 파단에너지의 약 50% 정도인 110.2J의 충격에너지로 3회 반복실험하여 시편의 손상정도와 충격강도를 비교 검토하였다. 인장실험과 굽힘 실험의 결과 1인치 간격으로 스티칭한 시편이 가장 높은 강도를 보였으며, 충격실험에서도 가장 뛰어난 에너지 흡수능력 및 손상에 대한 저항을 보였다. 반복충격 실험의 결과 스티칭하지 않은 시편은 현저한 충격강도의 감소를 보인 반면 스티칭한 시편은 반복충격에도 에너지 흡수능력이 우수하게 유지되었다. C-scanning으로 손상부위를 관찰한 결과 스티칭으로 인해 손상영역의 확산이 억제되어 현저히 감소함을 보여주었다. 스티칭 간격이 너무 조밀한 경우 강도의 향상보다는 스티칭으로 인한 손상이 더 커져서 1/2인치 간격으로 스티팅한 시편의 경우는 인장강력이나 충격에너지 흡수가 스티칭하지 않은 시편에 비해 오히려 감소하는 결과를 나타내었다. 그러나 이러한 감소에도 불구하고 외부충격에 의한 손상영역의 확산은 효과적으로 억제되어 국부적인 손상만이 발생함을 알 수 있었다.

The SMC composite, now being considered in certain structural applications, is anticipated to experience repeated loading during service. Thus, understanding of the fatigue behavior is essential in proper use of the composite material. In this paper, using the SMC composite composed of E-glass chopped strand and unsaturated polyester resin three point bending fatigue tests are carried out to investigate the fatigue crack propagating behavior under various cyclic stresses and fatigue damage of various microcrack forms. The following results are obtained from this study; 1) Most of the total fatigue life of the SMC composite is consumed at the initial extension or the growth of the macroscopic crack. 2) A Paris' type power-law relationship between the crack propagation rate and stress intensity factor range is obtained, and the value of material constant m is much higher (m=9~11)than that of other metals. 3) In case of high cyclic stress the fatigue damage show high microcrack density and short crack length, but in case of low cyclic stress does it vice versa. 4) Fatigue damage is characterized by microcrack density, crack length and distribution of crack orientation.