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경호 서문
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1 Vol. 26, No. 2, (2013) DOI: ISSN (Print), ISSN (Online) Paper 알루미늄과유리섬유하니컴구조의저속충격거동 김진우 * 원천 * 이동우 * 김병선 *** 배성인 ** 송정일 ** Low Velocity Impact Behavior of Aluminium and Glass-Fiber Honeycomb Structure Jin Woo Kim*, Cheon Won*, Dong Woo Lee*, Byung Sun Kim***, Sung In Bae**, Jung Il Song** ABSTRACT: In this study, impact behavior of aluminium and glass-fiber structure is studied under low impact velocity. Compression test is carried out to investigate the compressive strength of the specimens. The degree of damage is observed using microscopy and compared with the experimental analysis data. The maximum load capacity, impact strength and elastic energy of glass-fiber honeycomb sandwich panel are more than the aluminium honeycomb sandwich panel. 초록 : 본연구는동일한코어재를가지는알루미늄과유리섬유의하니컴샌드위치판넬의저속충격시발생하는충격거동및압축실험을통하여압축강도와압축계수를살펴본다. 저속충격을받는하니컴의충격거동을살펴보기위하여중량낙하식충격시험을실시하며, 충격을가한후데이터분석및현미경을통하여전형적인충격파손모드와손상정도를비교평가하였다. 동일한충격에너지일때유리섬유하니컴샌드위치판넬이알루미늄하니컴샌드위치판넬보다최대하중이높고, 탄성에너지가크며, 충격강도가높은것을확인할수있었다. Key Words: 중량낙하식충격시험 (drop weight impact test), 하니컴샌드위치판넬 (honeycomb sandwich panel), 저속충격 (low-velocity impact) 1. 서론 하니컴샌드위치판넬은그자체의경량, 조직의안정성, 고강도, 고강성으로인하여그용도가매우다양하며거의모든항공기와유도병기들은하니컴샌드위치판넬을사용하고있고앞으로의우주항공, 방위산업, 자동차, 철도, 해상, 통신, 에너지, 스포츠분야에서도하니컴샌드위치판넬의사용이필수적이다. 이와같은하니컴샌드위치판넬은그수요가계속증가할전망이며국내에서도방위산업등우주, 항공, 기타산업등의육성및활성화와관련하여 하니컴샌드위치판넬의수요가크게증가하는시점에있다. 또한, 하니컴샌드위치판넬은용도상품질및안전이크게요구됨에따라제품의품질검사및평가기술의개발이주요한문제로대두되었다 [1]. 하니컴샌드위치판넬의충격에관한연구는세계적으로중량낙하식충격시험 (Drop weight impact test) 나가스건혹은에어건시험에의해다양하게수행되고진행되어져왔다. 그중에서도기계구조물의경량및에너지절약추세에따라복합재료의사용이증가하고있으며, 복합재료 -판재와심재를가지고있는하니컴샌드위치판넬에대해 접수 : 2012 년 12 월 05 일, 수정 : 2013 년 1 월 21 일, 게재승인 : 2013 년 1 월 22 일 * 창원대학교기계공학과대학원 ** 창원대학교기계공학과기계공학전공, Corresponding author( jisong@changwon.ac.kr) *** 한국기계연구원재료연구소 (KIMS)

2 알루미늄과유리섬유하니컴구조의저속충격거동 117 서최근많은연구결과들이제시되고있다 [2-6]. 또한, 복합재료하니컴샌드위치판넬은구조물에요구되는낮은중량을유지하면서높은강도및강성, 고에너지흡수, 우수한피로저항특성으로알루미늄하니컴을대신하여다양한분야에서응용이되고있다. 그리고시험기의변화와셀의종류에대한연구는많이이루어졌으나충격위치와충격체의무게, 속도에대한영향에대한연구는많이이루어지지않았다 [7]. 따라서본연구에서는동일한코어재를가지는알루미늄과유리섬유의하니컴구조에압축실험을통하여압축강도와압축계수를살펴보고, 여러가지충격에너지에대해서충격을가한후시험편분석을통하여전형적인충격파손모드와손상정도를비교평가하였다. 주길이 2πr, 판에충격이가해졌을때립을발생시키는데소요된전체적인일은 [9] R W 2πt 0 σ y rln R r r d 1 = = -- πr 2 0 t 0 σ y 0 2 이다. 반구형충격체를이용하였을경우형상계수인 λ를사용하여관통시에소요되는일을이용하여흡수에너지를구할수있다. W = λ πr 2 0t 0 σ y 여기서, 관통에소요되는전체에너지는 (7) (8) 2. 충격이론 2.1 저속충격시변위, 속도에너지측정충격변위, 속도, 에너지는반구형충격체가받는힘은중력과시편이받는힘의합이라할수있다. 이를식으로나타내면다음과같다. E t = E k + E p + E a 흡수에너지 (Absorbed Energy) 는 E a = mgh mv ( 0 V 2 ) = λ πr 2 0t 0 σ y = W 2 (9) (10) f() t = mg p() t (1) 따라서가속도, 속도, 변위는다음과같이나타낼수있다. ft () at () = = m g pt () m t 1 t vt () = at () dt = gt --- pt () dt 0 m 0 t 1 xt () vt () dt -- gt 2 1 t t = = --- pt () dt 0 2 m 0 0 반구형충격체를이용하였을경우관통시에소요되는일을이용하여흡수에너지를구하면다음과같이나타난다. Et () = Kt () + Vt () + E a () t = constant 여기서, K(t): 운동에너지여기서, V(t): 위치에너지여기서, E a (t): 흡수에너지 t =0 에서의 V(t) 와 E a (t) 는 0 이므로 K(0) 와 E a (0) 는상수이며식 (5) 은다음과같이나타내어진다. E a () t = K( 0) Kt () Vt () 1 2 = -- mv ( 0 V 2 ) + mgh() t 흡수에너지 Reddy는충격체를이용한충격에경험적인수식을이용하여반구형충격의결과를유추하였다 [8]. 미소요소의원 (2) (3) (4) (5) (6) 3. 실험방법 3.1 실험재료본실험에사용된재료는중국의 Liming Honeycomb Composites 사에서제작한하니컴샌드위치판넬로써면재의재료는 A3003H12 와유리섬유이며, 심재로사용된재료는 A3003H12 이다 [10]. 접착제는 Bondex 를사용하였다. Table 1 은하니컴샌드위치판넬의종류와적층방법, 그리고두께에대한표이다. Table 1. The types of honeycomb sandwich panel Skin materials Glass- fiber/epoxy Aluminum Core materials Aluminum honeycomb (A3003H12) Core size (inch) Thickness (mm) 1/2'' 1.0/4.0/1.0 Table 2. Material property of A3003H12 and Glass-fiber Material A3003H12 Glass-fiber Density [kgm -3 ] Poisson s Ratio Young s Modulus [GPa] Yield Strength [MPa] Ultimate Strength [MPa]

118 김진우 원천 이동우 김병선 배성인 송정일 Table 2 는인장시험을통하여얻은 A3003H12 와유리섬유의물성표이다. 유리섬유하니컴의경우제조방법은 Glassfiber/Epoxy 프리프래그 (Prepreg) 를적층하여경화시켜면재를제조하는방법을사용하였다. 3.

5 mm/min의속도에서압축강도및압축계수를구한후 30 mm/min의속도에서시험을통하여얻은하중-변위의그래프면적에서압축에너지를계산하여충격실험에적절한에너지를정한다. Fig. 2. Specimen fixture of drop weight impact test. 3.3 충격실험충격시험의실험조건은 ASTM D7136/D7136M, D7766/ D7766M에의거하여시험편치수를 150 mm 100 mm 10 mm로결정하였으며, Table 3과같은실험조건에서충격시험을실시하였다.

3 118 김진우 원천 이동우 김병선 배성인 송정일 Table 2 는인장시험을통하여얻은 A3003H12 와유리섬유의물성표이다. 유리섬유하니컴의경우제조방법은 Glassfiber/Epoxy 프리프래그 (Prepreg) 를적층하여경화시켜면재를제조하는방법을사용하였다. 3.2 압축실험압축시험의실험조건은 ASTM C365/C365M, D7336/ D7336M에의거하여시험편치수를 50 mm 50 mm 10 mm로결정하였으며, 시험에사용된실험장비는 Instron 사에서제작한만능재료시험기를사용하였으며, 실험은 0.5 mm/min의속도에서압축강도및압축계수를구한후 30 mm/min의속도에서시험을통하여얻은하중-변위의그래프면적에서압축에너지를계산하여충격실험에적절한에너지를정한다. Fig. 2. Specimen fixture of drop weight impact test. 3.3 충격실험충격시험의실험조건은 ASTM D7136/D7136M, D7766/ D7766M에의거하여시험편치수를 150 mm 100 mm 10 mm로결정하였으며, Table 3과같은실험조건에서충격시험을실시하였다. Fig. 1과같이충격시험장비는 Imatek 사에서제작한 IM10T-20 충격시험기를사용하여하니컴샌드위치판넬에반구형충격체을떨어뜨리는방식의중량낙하식실험을실시하였는데이때, 낙하추의무게와충격 Table 3. Impact height and impact velocity of impactor Impact weight Height (cm) Velocity (m/s) Energy (J) 95N Fig. 3. Location of drop weight impact. 높이를변화시켜충격에너지의크기에따른하니컴샌드위치판넬의충격거동을조사하였다. 충격하에서재료가보이는충격거동은재료가받은충격하중과변형정도, 재료가흡수한에너지등을통해파악할수있다. Fig. 2에서충격을가하는부분의충격체의직경은 12.7 mm(1/2'') 인반구형강철막대이며, 클램프는중앙에지름이 125 mm 75 mm 의사각형의구멍이있고구멍주위에 4개의고정단의경계조건을가지는고정장치를사용하였다. 먼저, 저속충격실험은충격체의무게에대한영향을고 려하기위해서크로스헤드와충격체의무게를합하여 kg f 을사용하였다. 그리고충격위치에대한판재와심재의영향을관찰하기위해서 Fig. 3에서처럼충격위치를 3가지로선정하였는데첫째는 Face, 둘째는 Long-edge, 셋째는 Corner 의순으로실시하였다. 심재의형태를예상하여정확한충격위치를고려하기위해서시험편단면의형상을가지고판재에심재의형상을그렸다. 그리고압축시험을통하여얻을압축에너지를토대로충격을가한후육안손상개시에너지를결정하였다. 4. 실험결과및고찰 Fig. 1. Drop weight impact testing machine (IM10T-20). 4.1 압축강도 Fig. 4 는알루미늄하니컴샌드위치판넬의압축실험결과로 (a) 는속도 0.5 mm/min, (b) 는속도 30 mm/min 에서측정한결과이다. 최대하중은 2.5 kn 으로변위 0.05~0.1 mm 에서발생하였으며, Fig. 4(a) 에서볼수있듯이압축강도

4 알루미늄과유리섬유하니컴구조의저속충격거동 119 Fig. 4. The results of the compression tests of aluminum honeycomb. 는각 0.9 MPa, 1.1 MPa, 1.0 MPa, 1.1 MPa이며, 압축계수는각 MPa, MPa, MPa, MPa로 1번시편을제외하고유사값을얻을수있었다. Fig. 4(b) 의그래프에서는압축을하는순간최대하중 1.5 kn이발생, 시편이하니컴코어부분이압축되는과정에서최대하중이후변위 1.0 mm까지하중이감소하다가하니컴면재인윗면과아랫면이만나는순간다시하중이증가하는현상을확인할수있었으며, 압축에너지는 5.7 J, 5.9 J, 5.6 J, 5.8 J로나타났다. Fig. 5는유리섬유하니컴샌드위치판넬의압축실험결과로 (a) 는속도 0.5 mm/min, (b) 는속도 30 mm/min에서측정한결과이다. 그래프의형태는 Fig. 4(a) 와유사한형태이며, 5.1 kn의변위 0.1~0.2 mm에서각시험편의최대하중이발생하며, Fig. 5(a) 의그래프에서압축강도가각 2.1 MPa, 2.1 MPa, 2.0 MPa, 2.0 MPa이고, 압축계수가각 MPa, MPa, MPa, MPa이다. Fig. 5(b) 의그래프에서는전체적으로압축을하는순간최대하중 3.5 kn이발생하고, 최초하중이가해지는구간에서는탄성영역이보이지만직선적이지않고기울기가낮게나왔으며, 압축에너지는 10.6 J, 11.2 J, 10.3 J, 10.4 J로알루미늄하니컴샌드위치판넬보다압축에너지가높다. 또한, 압축속도 30 mm/min의실험에서유리섬유하니컴이알루미늄하니컴샌드위치판넬보다압축하중이 3배정도높은결과를보였으며, 이결과가압축에너지의결과에영향을미친것으로보인다. Fig. 5. The results of the compression tests of glass-fiber honeycomb. 4.2 충격거동충격에의한충격하중의데이터는충격하중-시간의이력에관계되는곡선으로충격하중- 처짐곡선은유사한경향을나타낸다고연구되어지고있다 [11]. Fig. 6은 1/2'' 셀의알루미늄하니컴샌드위치판넬에 kgf의충격을가했을때충격하중그래프이다. (a), (b), (c) 는각각 5 J, 10 J, 15 J 의충격에너지에서얻은하중그래프로 3곳의충격위치를고려해볼때거의동일한결과를얻을수있었다. 하지만각충격에너지의최고점에서의하중은비슷하지만, 충격을가했을때충격에너지가증가할수록최대충격하중에도달하는시간은 5J에서는 11.5 msec, 10 J에서는 7.5 msec, 15 J에서는 5.0~6.5 msec로줄어들었다. 최대하중은 1300 N 이며, 15 J에서충격체가시편을관통하는현상을확인할수있었다. Fig. 7은 1/2'' 셀의유리섬유하니컴샌드위치판넬에 kgf의충격을가했을때충격하중그래프이다. 유리섬유하니컴샌드위치판넬의경우 5J, 10J에서는 3곳의충격위치를고려해볼때거의동일한결과를보이고있지만 15 J에서는충격하중의결과가다르게나타났다. 낮은충격에너지 5J에서는유리섬유하니컴판넬에면재에만손상을주었으며, 10 J에서는상부면재와심재에손상을주면서하부면재에도약간의손상을주었다. 하지만, 5 J과 10 J

5 120 김진우 원천 이동우 김병선 배성인 송정일 Fig. 6. Behavior of impact load vs. time of 1/2'' cell Aluminum honeycomb with 6 mm thickness after impacting of kg f impactor; (a) 5 J, (b) 10 J and (c) 15 J. Fig. 7. Behavior of impact load vs. time of 1/2'' cell Glass fiber honeycomb with 6 mm thickness after impacting of kgf impactor; (a) 5 J, (b) 10 J and (c) 15 J. 의 3곳의충격위치에대한영향은크게없다. 15 J에서는 Face, Corner, Long-edge 순으로충격하중이나타났다. 또한충격에너지 5J, 10J, 15J에서의최대하중이 900 N, 1500 N, 2000 N이며, 15 J에서시편이관통되었다. 최대하중에도달하는시간은 5J에서는 10.0 msec, 10 J에서는 9.5 msec, 15 J 에서는 6.0 msec로충격에너지가증가할수록충격하중은증가하고최대충격하중까지걸리는시간은짧아지는경향을보인다. 4.3 흡수에너지흡수에너지는곡선은최대흡수에너지 (Ea) 에도달한후하니컴샌드위치판넬에손상을만들기위한에너지손실량 (El) 과남아있는탄성에너지 (Ee) 로나타낼수가있다. Fig. 8은알루미늄하니컴샌드위치판넬의흡수에너지의그래프이다. 알루미늄하니컴샌드위치판넬은 5 J과 10 J에서는에너지손실량과탄성에너지영역이나타난다. 5 J에서는상부판재에충격체의형상이발생하고, 10 J에서는상

6 알루미늄과유리섬유하니컴구조의저속충격거동 121 Fig. 8. Behavior of absorbed energy vs. time of 1/2'' cell Aluminum honeycomb with 6 mm thickness after impacting of kg f impactor; (a) 5 J, (b) 10 J and (c) 15 J. Fig. 9. Behavior of absorbed energy vs. time of 1/2'' cell Glass fiber honeycomb with 6mm thickness after impacting of kg f impactor; (a) 5 J, (b) 10 J and (c) 15 J. 부의판재가찢어지고심재는전단력에의해좌굴이발생하였다. 하부의판재에도손상을미치면서 3방향으로찢어지는현상을확인할수있었으며, 15 J에서는하부의판재까지관통을하였다. 또한, Fig. 9는유리섬유하니컴샌드위치판넬의흡수에너지의그래프이다. 유리섬유하니컴판넬은 5J과 10 J에서는에너지손실량과탄성에너지영역이나타난다. 5 J에서는상부판재에충격체의형상이발생하고, 10 J에서는상부의판재가찢어지고심재는전단력에의해좌굴이발생하였다. 15 J에서는 long-edge의에너지값이 face와 corner 의값보다낮음을알수있으며, 하부의판재까지관통을하였다. Fig. 10은광학현미경을이용하여알루미늄과유리섬유하니컴샌드위치판넬의충격에너지 10 J에대해서충격표면및손상영역을확인하였다. (a) 의알루미늄하니컴은 Face에충격을가한시험편으로상부의면재는 3방향으로찢어지는현상을보이고심재가붕괴되면서하부의면재에좌굴이발생하였다. (b) 의유리섬유하니컴은 Face에충격을가한시험편으로상부면재는찢어짐이발생하였고, 심재에많은충격을받으면서하부면재까지영향을미쳤다.

김진우 원천 이동우 김병선 배성인 송정일 122 동일한 충격에너지일 때 유리섬유 하니컴 샌드위치 판 넬이 알루미늄 하니컴 샌드위치 판넬보다 최대 하중이 높 고, 탄성 에너지가 크며, 충격 강도가 높은 것을 확인 할 수 있었다. 후 기 본 논문은 2012년도 한국연구재단의 지원으로 수행되었 으며(NO.

7 김진우 원천 이동우 김병선 배성인 송정일 122 동일한 충격에너지일 때 유리섬유 하니컴 샌드위치 판 넬이 알루미늄 하니컴 샌드위치 판넬보다 최대 하중이 높 고, 탄성 에너지가 크며, 충격 강도가 높은 것을 확인 할 수 있었다. 후 기 본 논문은 2012년도 한국연구재단의 지원으로 수행되었 으며(NO ), 저자 중 일부는 두뇌한국 21(BK21) 사업 지원을 받은 것으로 이에 감사드립니다. 참고문헌 Fig. 10. Visible damage of each specimen. 6. 결 론 본 연구에서는 동일한 코어재를 가지는 알루미늄과 유 리섬유의 하니컴 샌드위치 판넬의 압축 강도 및 압축 에너 지의 결론과 저속 충격시 발생하는 판재와 심재의 충격거 동에 대한 결론은 다음과 같다. 압축 거동 결과 알루미늄 하니컴 샌드위치 판넬보다 유 리섬유 하니컴 샌드위치 판넬의 압축 강도 및 압축 에너지 가 더 높은 것을 확인할 수 있었고, 속도 0.5 mm/min에서는 하중이 2배정도 높았으며, 30 mm/min에서는 하중이 3배 정 도가 높음을 그래프를 통해서 확인할 수가 있다. 30 mm/min 의 속도에서 얻은 하중과 변위 그래프에서 얻은 면적이 곧, 압축 에너지이므로 하중과 변위가 압축에너지에 영향을 미친다. 충격 거동 결과 알루미늄 하니컴 샌드위치 판넬의 경우 충격 에너지 5 J, 10 J, 15 J에서는 3곳의 충격 위치에 대한 충 격 거동은 유사하며, 각 충격 에너지의 최대 하중은 비슷하 지만, 충격을 가했을 때 충격에너지가 증가할수록 최대 충 격하중에 도달하는 시간은 줄어드는 것을 그래프를 통하 여 확인할 수 있었다. 유리섬유 하니컴 샌드위치 판넬의 경 우 5 J, 10 J에서는 3곳의 충격 위치에 대한 충격 거동은 유 사하나, 15 J에서만 Face, Corner, Long-edge 순으로 충격하 중이 나타났다. Face가 최대 하중이 높은 이유는 충격시 6 개의 인접 심재로 충분하게 하중전달을 하기 때문이다. 또한, 흡수 에너지에서 알루미늄 하니컴 판넬의 경우 위 치와 관계없이 에너지의 값이 유사하나 유리섬유 하니컴 의 경우 충격에너지 5 J의 경우 충격 위치에 대한 충격 거 동은 유사하나, 15 J에서는 충격 하중에서 확인한 결과와 동 일하게 Long-edge의 에너지 값이 Face와 Corner의 에너지 값보다 낮음을 확인할 수 있었다. 1. Jang, H.K., Development of Nondestructive Evaluation Techniques for Honeycomb Sandwich Structure (I), Korea Institute of Machinery and Materials, 1990, pp Lee, S.K., Jo, J.D., Jo, J.W., and Bang, S.W., In-plane Characteristics of Al Foam Core and Al Honeycomb Core Sandwich Composites with an Indented Damage, Korean Society for Composite Materials, 2011, pp Kong, C.D., Bak, H.B., and Lee, S.H., A Study on Residual Strength of Carbon/Epoxy Face Sheet and Honeycomb Core Sandwich Composite Structure after Quasi Static Indentation Damage, Journal of Korean Society for Composite Materials, Vol. 22, No. 2, 2009, pp Song, J.I., and Bae, S.I., Low-velocity Impact Behavior of Aluminium Honeycomb Sandwich Panel, Engineering Research and Technology, Vol. 3, 2003, pp Lee, I.T., Shi, Y., Afsar, A.M., Ochi, Y., Bae, S.I., and Song, J.I., Low Velocity Impact Behavior of Aluminum Honeycomb Structures, Advanced Composite Materials, Vol. 19, 2010, pp Santosa, S., and Wierzbicki, T., Crash Behavior of Box Columns Filled with Aluminum Honeycomb or Foam, Computers & Structures, Vol. 68, 1998, pp Kwon, S.C., Im, C.M., Choi, B.K., Lee, S.W., Han, J.W., and Kim, Y.H., A Study on the Analysis of Causes & Minimizing of Defects at Composite Materials Sandwich Aircraft Structure in Autoclave Processing, Journal of the Korean Society for Composite Materials, Vol. 14, No. 1, 2001, pp Reddy, T.Y., Wen, H.M., Reid, S.R., and Soden, P.D., Penetration and Perforation of Composite Sandwich Panels by Hemispherical and Conical Projectiles, Journal of Pressure Vessel Technology, Vol. 120, 1998, pp Johnson, W., Impact Strength of Materials, Edward Arnold, London, 1972, pp Liming Honeycomb Composites Co., Ltd., Thwaites, S., and Clark, N.H., Non-destructive Testing of Honeycomb Sandwich Structures Using Elastic Wave, Journal of Sound and Vibration, Vol. 187, No. 2, 1995, pp

14.531~539(08-037).fm

14.531~539(08-037).fm G Journal of the Korea Concrete Institute Vol. 20, No. 4, pp. 531~539, August, 2008 š x y w m š gj p { sƒ z 1) * 1) w w Evaluation of Flexural Strength for Normal and High Strength Concrete with Hooked