[논문 리뷰] The effect of tow gaps on compression after impact strength of robotically laminated structures

Andrew Rhead, Tim Dodwell외 1명|arXiv (Cornell University)|2013. 05. 14.

Mechanical Behavior of Composites참고 문헌 16인용 수 13

한 줄 요약

이 연구는 로봇성 코팅 복합재 구조물의 토우 갭이 충격 후 압축(충격 후 압축, CAI) 성능에 미치는 영향을 조사한다. 충격 시험, 비파괴 검사 및 무한 스트립 모델을 사용하여, 비충격면에 가까운 토우 갭이 분리 영역을 감소시키고, 부분층의 붕괴 및 분리 성장을 억제함으로써 항공우주 복합재에서 손상 내성성을 향상시킨다. 이는 자동섬유배치(AFP) 공정을 통해 제조된 복합재에 적용된다.

ABSTRACT

When (robotic) Automated Fibre Placement (AFP) is used to manufacture aerospace components with complex three dimensional geometries, gaps between fibre tows can occur. This paper is the first to explore the interaction under compressive load of these tow gaps with impact damage. Two coupons with different distributions of tow-gaps were impacted. Results indicated that the area of delamination is smaller for an impact directly over a tow gap where the tow gap is situated close to the non-impact face. Subsequent Compression After Impact (CAI) testing demonstrated that both the formation of sublaminate buckles and subsequent growth of delaminations is inhibited by the presence of a tow gap near the non-impact face. Non-destructive testing techniques and a computationally efficient infinite Strip model are used to analyse the damage resistance and damage tolerance of the coupons. A new validation of the Strip model is also presented.

연구 동기 및 목표

• 로봇성 제조된 복합재 구조물에서 토우 갭이 손상 저항성 및 내성성에 미치는 영향을 분석하기 위해.
• 토우 갭의 위치가 압축 하중 하에서 분리 전파 및 부분층 붕괴에 어떻게 영향을 주는지 평가하기 위해.
• 토우 갭이 있는 다층 복합재에서 손상 진전을 예측하기 위해 무한 스트립 모델을 검증하기 위해.
• 비파괴 검사 기법이 갭 영향을 받는 다층 구조물에서 충격 유도 손상 특성을 규명하는 데 얼마나 효과적인지 평가하기 위해.

제안 방법

• 로봇성 자동섬유배치(AFP) 공정을 사용하여 토우 갭 분포가 다른 두 커프온을 제조하였다.
• 손상을 유도하기 위해 충격 시험을 실시한 후, 잔류 강도를 평가하기 위해 충격 후 압축(CAI) 시험을 수행하였다.
• 비파괴 검사 기법을 사용하여 분리 영역과 손상 형태를 평가하였다.
• 손상 진전을 시뮬레이션하고 예측하기 위해 무한 스트립 모델을 적용하였으며, 새로운 검증 방법을 제시하였다.
• 실험 결과를 모델 예측과 비교하여 정확성과 적용 가능성을 평가하였다.
• 비충격면에 대한 토우 갭 위치의 통계적 및 기하학적 분석을 수행하여 위치와 손상 반응 간의 상관관계를 규명하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비충격면에 가까운 토우 갭이 존재할 경우 충격 하중 후 분리 영역은 어떻게 영향을 받는가?
• RQ2 압축 하중 하에서 토우 갭이 부분층 붕괴 및 분리 성장 억제에 어느 정도 기여하는가?
• RQ3 무한 스트립 모델은 토우 갭이 있는 다층 복합재에서 손상 진행을 정확히 예측할 수 있는가?
• RQ4 토우 갭의 공간적 분포가 AFP 공정 복합재 구조물의 전체 손상 내성성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 충격을 받은 커프온에서 토우 갭 위치와 잔류 압축 강도 간의 관계는 어떠한가?

주요 결과

• 비충격면에 가까운 토우 갭이 존재할 경우 충격 후 분리 영역이 크게 감소하였다.
• 비충격면에 가까운 토우 갭이 존재할 경우 압축 하중 하에서 부분층 붕괴의 형성이 억제되었다.
• 비충격면에 가까운 토우 갭은 압축 하중 하에서 분리 성장률을 감소시켰다.
• 무한 스트립 모델은 손상 진전에 대해 양호한 예측 능력을 보였으며, 새로운 검증 방법을 통해 그 신뢰성이 확인되었다.
• 비파괴 검사 기법은 손상 범위와 분포를 효과적으로 파악하여 품질 평가에 이러한 기법을 활용할 수 있음을 뒷받침하였다.
• 본 연구는 토우 갭을 전략적으로 활용함으로써 AFP 공정으로 제조된 항공우주 부품의 손상 내성성을 향상시킬 수 있음을 확인하였다.