복합재료 _ 판스프링 서스펜션 _ 일반 적층

Rolling 방법을 포기하고 일반 수직 적층 방식을 선택했다.

우리가 만들 서스펜션은 굽힘에 대한 저항이 커야 한다.

이에 단면 2차 모멘트 I를 키우기 위해 보강재를 추가하자는 아이디어가 나왔다.

수평 보에 작용하는 하중에 의한 휨 현상, 삼성디스플레이 테크 트렌드 참고

단면 2차 모멘트, 직사각형 단면에서 높이 h^3에 비례

 

 

GFRP와 Core(보강재)를 같이 쌓아 올려 경화시켜야했다.

이 때 10mm 높이의 코어의 경우 에폭시를 과도하게 흡수하고, 압축 경화 시 잘 빠지지 않은 문제가 발생했다.

따라서 core는 4mm 두께를 사용했고, 1장만 사용한 시편을 제작했다.

보강재를 추가하여 h를 늘려 단면2차 모멘트를 증가시키고자 함

 

 

 

GFRP*8시편과 GFRP*4+Core4*1+GFRP*4의 시편을 제작해 인장테스트를 진행했다.

추가로 보강재 2개만 적층했을때, GFRP 적층 시 누르면서 제작한 경우와 누르지 않고 에폭시를 바르기만 한 경우 인장 테스트를 진행했다.

즉, GFRP*8(누름), GFRP*8(안 누름), GFRP*4+C4*1+GFRP*4, C4*2에 대한 인장테스트를 진행했다.

만능시험 진행(인장)

 

 

 

먼저 누르면서 제작한 시편의 경우, 내부 기공이 보이지 않았다.

하지만, 에폭시를 누르지 않고 그냥 바르기만 한 경우 기공이 많이 보였다.

만능 시험 결과에서는 기공이 없는(누르면서 제작한) 시편의 경우 Tensile stress가 더 컸다.

즉, 제작 과정에서 누르는 행위를 추가하여 기공을 빼는 공정이 실제로 효과가 있다는 것을 알게 되었다.

기공을 빼는 공정이 추가된 경우

기공을 빼는 공정이 없는 경우, 반짝이는 원형 모양이 기공이다.

 

 

 

다음으로 보강재를 추가한 경우의 만능테스트 결과를 살펴보았다. 이 부분이 예상 밖이었다.

보강재만 추가하여 단면적이 늘어난 경우 이므로 만능테스트의 Tensile stress at Yield 값은 큰 변화가 없을 것으로 예상했다.

하지만, 값이 예상보다 낮았다. 약 400MPa의 Tensile stress at Yield 값을 갖는 시편이 보강재가 추가되었더니 250MPa으로 측정되었다.

GCG 구조 측정 결과, Tensile Stress 측정값이 상당히 낮은 것을 볼 수 있다.

 

 

 

보강재만으로 이루어진 시편의 만능테스트 결과를 확인했다.

Tensile stress at Yield의 경우 3.5MPa로 GFRP가 들어간 시편보다 터무니없이 낮았다.

보강재를 추가한 시편의 Tensile stress at Yield 값이 낮은 이유가 이것으로 추측된다.

너무나 낮은 Tensile Yield stress로 인해 보강재가 먼저 항복이 되어 예상보다 낮은 값은 얻은 것 같다.

또한 복합재이론에 적용한다면, σc​=V1​σ1​+V2​σ2​이다. V1=3.55/6.3=0.563, V2=2.75/6.3=0.437이다.

σ1=400MPa, σ2=6MPa 이므로 σc=225.2+2.622=227.8MPa로 복합재 이론에 부합하는 결과이다.

보강재 측정 결과

복합재료의 강도를 계산하는 관계식 유도

 

 

 

이 결과를 1년이 지난 시점에서 작성하고 있다. 아쉬운 점은 그 당시 왜 이렇게 실험을 진행했는지 의문이다.

보강재를 추가할 경우 원래 재료(GFRP)보다 Tensile Yield Stress가 큰 것을 선택했어야 보강재가 우선적으로 항복하지 않았을 것이다.

높이를 키워 Bending에 대한 저항을 키우는 것만 초점을 맞춘다면 Core를 추가하는 방법이 유리할 수 있다.

하지만, 이렇게 된다면 인장 응력이 낮아지게 될 것이다.

따라서 보강재를 선택할 때 기존 재료보다 인장응력이 높은 재료를 사용해야 할 것이다.

예를 들어 위의 경우 보강재로 코어매트를 사용하는 것이 아닌, Alloy steel을 사용하는 것이다.

 

실험 설계가 잘못되었다는 것을 알았다.

굽힘에 대한 저항을 키우기 위해 보강재를 넣었지만 인장테스트로 이를 판단하는 것이 옳지 않았다.

또한 복합재이론에 대해 생각했다면, 보강재로 코어매트를 사용하는 것은 하지 않았을 것이다.

 

그래도 누르며 적층하는 공정 방법이 기공제거 및 수직응력 향상에 도움이 된 다는 것을 알게 되었다.

또한 이전 연구에서 CFRP로 제작한 시편 보다 더 높은 수직응력 값을 얻었는데, 이는 CFRP가 그만큼 다루기 어려운 재료라는 것을 알게 되었다.

보통 CFRP가 GFRP 보다 응력이 높지만 다루기 어려워 결과물의 편차가 심한 편이다. 하지만, GFRP는 다루기 쉽고 결과물의 편차가 적다.

 

결과적으로 판스프링 서스펜션 제작은 GFRP만 사용해서 제작하는 것으로 결정했다.

레진의 물성치와 다른 GFRP의 데이터를 조합해서 ANSYS에 입력하고, 주어진 문제(Equilibrium 일 때 Deflection이 11.5mm를 넘지 않는 두께)를 구하기 위해 여러 두께를 설정했다.

결과적으로 25.5mm일 때 최대 Deflection이 11.4mm로 주어진 조건에 만족하는 결과를 도출했다.

ANSYS를 사용해서 Deflection 예측

 

 

 

위 내용을 바탕으로 23학년도 1학기 성과발표회에 참여했다.

2023 다학년연구프로젝트 성과발표회 포스터