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마그네슘 금속복합재의 피로균열거동해석 (Fatigue Crack Growth Behavior of a Magnesium-Based Composite)

  • 김두환;박용걸;김성훈;한석규
    • 한국강구조학회 논문집
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    • 제9권4호통권33호
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    • pp.515-521
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    • 1997
  • 마그네슘 금속 복합재의 열처리 및 섬유 강화재 방향에 따른 효과를 파악하기 위하여 인장강도 및 피로해석이 연구되었다. TEM 관측에 따라 시편은 섬유 강화재와 마그네슘 복합기지 사이의 시효 열처리된 변형된 계면이다. 인장실험 결과로부터 시효 처리된 시편의 극한 인장강도는 주조상태의 시편보다 시효 처리시 화학반응에 의한 섬유 강화재-기지간의 접합강도 약화로 감소하였다. 피로균열 거동실험은 균열거동 방향이 섬유 강화재 방향과 수직인 시편과 균열거동 방향이 섬유 강화재 방향과 평행한 시편을 실험하였다. 피로균열 거동해석을 비교해보면 섬유 강화재와 하중방향이 수직인 시효처리된 시편의 경우가 주조상태의 시편보다 피로균열 거동에 더 크게 저항하였다. 반대로 섬유 강화재 방향에 평행한 주조상태의 시편은 섬유 강화재 방향에 평행한 시효처리된 시편보다 피로 균열거동에 더 크게 저항함을 알 수 있었다.

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탄소 섬유 복합재의 마찰 및 마모 특성에 미치는 속도 효과 (Effect of sliding velocity on the wear and friction characteristics of a carbon fiber composites)

  • 고성위;양병춘
    • 수산해양기술연구
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    • 제40권4호
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    • pp.337-343
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    • 2004
  • 탄소 섬유강화 에폭시기지 복합재의 경면 가공한 스테인레스 강 상대재와 마찰과 마모에 바탕을 둔 연구에서 다음과 같은 결론을 얻었다. (1) 일방향 탄소섬유 강화 복합재의 마모 거동에 미치는 미끄럼 방향의 효과는 다르며 작용하는 마모 메커니즘의 형태에 의존한다. (2) 상온에서 경면 가공한 스테인리스 스틸에 대하여 미끄럼이 일어나면 AP 방향에서 높은 마모 저항과 낮은 마찰계수가 관찰되었다. (3) 복합재의 비마모율은 미끄럼 속도가 증가하면 N방향과 P방향에서는 감소하는 경향을 보이며, AP 방향에서는 증가하다가 감소한다. 이것은 마모 메카니즘의 영향으로 속도가 증가하면 마모 이착막의 생성이 빨라져 이착막 속의 탄소섬유가 윤활제의 역할을 하기 때문이다. (4) 복합재의 마찰계수는 미끄럼 속도가 증가하면 3방향 모두 증가하다가 일정한 값에 수렴하면 N방향이 가장 크며, P방향과 AP방향 순이다. 이는 N방향에서 마찰초반에 발생한 섬유의 쟁기질에 의한 상대재 표면의 손상과 돌기변형에 따른 것이며, AP방향의 마찰계수가 가장 낮다.

포플러재(材)의 재질(材質)에 관(關)한 시험(試驗) (Studies on the Properties of Populus Grown in Korea)

  • 조재명;강선구;이용대;정희석;안정모;심종섭
    • Journal of the Korean Wood Science and Technology
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    • 제10권3호
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    • pp.68-87
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    • 1982
  • 우리나라산 포인 이태리 포푸라 I-214, I-476, 미류나무, 양버들, 은수원사시나무, 황철나무, 물황철나무, 사시나무 등 9 수종의 포푸라재에 대한 해부학적 성질, 물리적 성질, 기계적 성질을 구명하여 포푸라재의 재질비교, 적정이용도, 목재가공 및 재질개량 등의 기초자료로 활용하기 위하여 실시 되었다. 1. 포푸라재의 연륜폭은 3.5~12.6 mm 범위에 있고 수종별 연륜폭의 차이는 대단히 심하고 수고부위가 높아짐에 따라 점차 감소하는 경향을 나타내고 있으며 시험결과는 Fig. 2와 같다. 2. 포푸라재의 변재폭은 3.6~8.6cm, 변재율은 64~94%, 심재지름은 4 ~ 18 cm 범위에 있으며, 수종별로 변재폭, 심재지름, 변재율은 각각 상이하고 수고부위별에 따른 변재폭의 변이는 수고가 높아짐에 따라 점차 감소하는 경향을 나타내고 있으며 시험결과는 Table 2 와 같다. 3. 포푸라재의 수피율은 9.0~15.8 % 범위에 있고, 수종별로 차이가 심하다. 4. 포푸라재의 섬유장은 0.920 ~ 1.1 61 mm, 섬유폭은 24~29${\mu}$, 섬유장과 섬유폭의 비는 37 ~ 43 범위에 있으며 수종별로 각각 상이 하였다. 섬유장과 섬유폭의 변이는 수심에서 수피로 향하여 증대하였으며 또한 섬유장은 수고부위가 높아짐에 따라 감소하였으나 섬유폭은 수고부위에 따라 일정한 경향을 나타내지 않았으며 시험결과는 Fig. 4-1~4-2 와 같다. 포푸라재의 섬유막 두께는 1.6~2.3${\mu}$ 범위에 있으며 수종별로 다소 차이가 있다. 5. 포푸라재의 도관의 직경은 경단방향에서 86 - 120${\mu}$, 촉단방향에서 58-77${\mu}$ 범위에 있으며 시험 결과는 Table3 과 같다. 6. 포푸라재의 생재함수율은 82-129 % 범위에 있으며 심재는 변재보다 함수율이 높고 수고부위별에 따른 생재함수율의 변이는 일반적으로 수고가 높아짐에 따라 점차 감소하는 경향을 나타내고 있으며 시험결과는 Fig. 5-1 과 같다. 7. 포푸라재의 생재비중은 0.64-0.69 기건비중은 0.35 - 0.47, 전건 비중은 0.33 - 0.45. 용적밀도수는 290 - 390 kg/$m^3$ 범위에 있고 수종별로 각각 상이하며 시험결과는 Table 4와 같다. 8. 포푸라재의 전수축율은 촉단방향에서 7.15-8.81%, 경단방향에서 2.49 - 3.46 %, 섬유방향에서 0.25 - 0.49 %이였고 기건수축율은 촉단방향에서 0.19 - 0.28 %, 경단방향에서 0.06 - 0.12 %, 섬유방향에서 0.02 %로 수종별로 상이하며 비중이 큰 수종일수록 크고 촉단과 경단과의 수축율의 비는 2.17 - 3.04 였으며 시험결과는 Table 4 와 같다. 9. 포푸라재의 흡수량은 경단면에서 0.06 - 0.08g/$cm^2$, 촉단면에서 0.07-0.11g/$cm^2$, 횡단면이 0.31 - 0.49 g/$cm^2$로 방향별 흡수량은 횡단면이 가장 크고 경단면이 가장 적다. 흡습성은 경단면이 0.009 - 0.012g/$cm^2$, 촉단면이 0.010 - 0.014g/$cm^2$, 횡단면이 0.027 - 0.037g/$cm^2$로 방향별로는 횡단면, 촉단면, 경단면 순이고 수종별 흡수량과 흡습성은 상이하며 시험결과는 Table 5 와 같다. 10. 포푸라재의 종압축강도는 298 - 490 kg/$cm^2$, 횡압축 강도는 34 - 70 kg/$cm^2$, 부분압축강도는 62 - 102 kg/$cm^2$로 수종별로 차이가 있으며, 비중이 큰 수종일수록 증가하는 경향을 나타내었으며, 시험결과는 Table 6 과 같다. 11. 포푸라재의 종인장 강도는 532-1180kg/$cm^2$로 수종간에 차이가 대단히 컸고, 비중이 클수록 종인장 강도가 증가하며 힘 인장 강도는 34 - 55 kg/$cm^2$ 범위에 있고 시 험결과는 Table 7과 같다. 12. 포푸라재의 전단강도는 경단방향이 76-100kg/$cm^2$, 촉단방향이 90-129kg/$cm^2$ 범위에 있고 일반적으로 비중이 큰 수종일수록 증가 하였으며 촉단방향이 경단방향보다 컸다. 시험결과는 Table 8과 같다. 13. 포푸라재의 휨강도는 604 - 959 kg/$cm^2$의 범위에 있으며 수증별로 차이가 심하였으며 일반적으로 비중이 큰 수종일수록 휨강도는 컸다. 시험성적은 Table 9와 같다. 14. 포푸라재의 할열강도는 경단방향이 17-23kg/cm, 촉단방향이 13-25 kg/cm의 범위에 있고, 수종간의 할열강도는 별 차이가 없으며 방향별로는 촉단방향이 경단방향보다 컸으며 시험성적은 Table 10과 같다. 15. 포푸라재의 충격흡수에너지는 10.33-0.67 kg/$cm^2$의 범위에 있고 수종간에 충격흡수에너지의 차이는 대단히 컸고 비중이 큰 수종일수록 컸으며 시험성적은 Table 11과 같다. 16. 포푸라재의 못인발 저항은 경단방향이 11-30 kg/cm, 촉단방향이 13-27 kg/cm, 횡단방향이 9-14 kg/cm로 수종간에는 큰 차이 가 없었는데 단면별로는 촉단면이 가장 크고 경단면, 횡단면 순으로 일반적으로 비중이 큰 수종일수록 못인발 저항은 컸다. 시험 성적은 Table 12 와 같다.

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종방향 보강재로 보강된 다각형 단면 기둥구조의 극한강도 해석 (Finite Element Analyses on Ultimate Compressive Strength of Longitudinally Stiffened Polygonal Sections)

  • 최병호;박성미;황민오
    • 한국방재학회:학술대회논문집
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    • 한국방재학회 2011년도 정기 학술발표대회
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    • pp.40-40
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    • 2011
  • 현재 일반적으로 활용되고 있는 원통형 쉘구조로 이루어진 타워구조의 대형화가 추진되면서 제작, 운반 편의성, 단면효율성, 경제성 제고를 위해 다각형단면 기둥구조물의 활용이 대두되고 있다. 하지만 다각형 단면 기둥구조의 극한강도에 대한 자료가 충분치 않고 관련 기준이나 지침이 명확히 제시되고 있지 않은 실정이다. 본 연구에서는 원통형 쉘구조물을 다각형구조물로 대체하여 제작될 경우 축방향 압축에 대한 내하력 향상 효과를 수치해석적으로 검토해 보고자 한다. 해석모델은 지름 2m, 두께 20mm인 원형강관 프로토타입 풍력타워 구조를 참고로 하여 이에 내접하도록 결정한 6~12각형 단면 형상으로써 높이 10,000mm인 3차원 기둥모델을 구현하였고 유한요소프로그램인 ABAQUS를 이용하여 해석하였다. 각 subpanel의 중앙에 종방향 보강재를 설치하였을 때 국부좌굴에 대한 내하력 변화를 비교하기 위해 종방향보강재로 보강한 모델을 구성하여 비교 해석을 수행하였다. 종방향 보강재의 제원은 미국 SSRC 제안식을 기준으로 삼았다. 탄성좌굴해석을 통해 탄성좌굴모드 형상을, 비선형비탄성해석을 통해 최종파괴모드 및 극한강도를 얻었다. 보강 전 후의 탄성좌굴 해석 결과로부터 최소모드의 고유치 값을 비교하였다. 각 subpanel 단면 중심부에 한 개의 보강재를 설치한 경우 탄성좌굴강도가 4배 가량 증가하였다. 이로부터, 보강재(n=1) 설치에 따라 유효 폭두께비가 1/2로 감소하는 효과를 확인 할 수 있다. 비선형해석결과로부터 subpanel의 단면중심에 보강재를 설치한 경우 보강재가 위치한 곳에 고정점이 형성되어 이를 중심으로 국부 좌굴모드에 변화가 생기는 것이 확인되었다. 이러한 변화는 다각형 단면 기둥구조의 내하력 성능, 즉 국부좌굴강도에 영향을 준다. 충분한 강성을 갖는 종방향 보강재가 설치된 경우, 극한상태에서도 유효폭두께비가 줄어드는 것과 같은 강도 향상 효과를 확인할 수 있다. 이러한 사실은 각 해석결과 극한강도를 DIN code, Migita와 Fukumoto의 제안식, SSRC 설계제안식 등과의 비교를 통해 확인할 수 있었다.

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세라믹/금속기지 복합재료의 특성예측을 위한 미시역학적 유한요소해석 (Micromechanical Analysis for Transverse Properties of Ceramic/Metal Composite)

  • 김태우;박상환
    • 한국세라믹학회지
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    • 제38권6호
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    • pp.575-581
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    • 2001
  • 세라믹/금속기지 복합재료에서 횡방향의 단축인장하중을 받는 경우, 복합재료의 특성에 관한 시뮬레이션 결과이다. 세라믹과 금속기지간 계면에 강한 결합이 존재하는 복합재와, 계면에서의 결합이 약한 복합재의 두 경우에 대하여 횡방향 평균응력과 평균변형율에 대한 관계를 계산하였다. 복합재료의 미시역학적개념과 유한요소해석법을 적용하여 세라믹체적분율의 변화에 따라 각기 해석되었다. 본 연구에서 계산된 횡방향 탄성계수는 문헌에 알려져 있는 미시역학개념으로 유도된 식에 의한 횡방향탄성계수값과 잘 일치되었다. 계면에서 강한 결합이 있는 복합재와는 달리, 약한 결합의 복합재는 인장하중에 의하여 세라믹/금속계면에서 금속재료와 세라믹간의 분리가 발생된다. 이 분리는 전체복합재의 강성을 감소시키며, 금속의 부피분율이 감소될수록 (즉, 세라믹의 부피분율이 증가할수록) 횡방향 평균응력의 평균변형율에 대한 감소로 나타났다. 미시역학의 개념을 적용한 유한요소해석기법을 통하여, 이미 알고 있는 복합재 각 성분의 특성으로부터 복합재료의 계면특성과 횡방향특성을 예측할 수 있다.

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탄소 섬유 복합재의 마찰 및 마모 특성에 미치는 하중 효과 (Effect of load on the wear and friction characteristics of a carbon fiber composites)

  • 고성위;양병춘;김형진;김재동
    • 수산해양기술연구
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    • 제40권4호
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    • pp.344-350
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    • 2004
  • 탄소 섬유강화 에폭시기지 복합재의 경면 가공한 스테인리스강 상대재와 마찰과 마모에 바탕을 둔 연구에서는 다음과 같은 결론을 얻었다. (1) 복합재의 비마모율은 하중이 증가하면 N방향와 P방향에서는 증가하는 경향을 보이며,AP방향에서는 감소한다. 이것은 마모 메카니즘의 영향으로 속도가 증가하면 마모 이착막의 생성이 빨라져 이착막 속의 탄소섬유가 윤활제의 역할을 하기 때문이다. (2) 복합재의 마찰계수는 하중이 증가하면 N방향과 AP방향에서는 하중 39.2N까지 증가하다가 그 이상의 하중에서는 감소되며 AP방향에서는 하중이 증가함에 따라 서서히 증가하며, 또한 그 값은 N방향에서 가장 크고, AP방향이 가장 적다. (3) 일방향 탄소섬유 강화 복합재의 마모 거동에 미치는 하중의 효과는 다르며 마찰초반에 발생한 섬유에 의한 쟁기질과 섬유 굽힘 및 미소크랙에 의한 섬유 균열과 파괴에 따른 마모 메카니즘의 형태에 의한 것이다.

강지보재 최적 설치방향을 고려한 경사터널의 거동특성에 대한 수치해석적 연구 (A numerical study on the analysis of behavior characteristics of inclined tunnel considering the optimum direction of steel rib)

  • 박상찬;김성수;신영완;신휴성;김영근
    • 한국터널지하공간학회 논문집
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    • 제10권3호
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    • pp.245-256
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    • 2008
  • 터널 주지보재의 하나인 강지보재는 굴착 후 숏크리트 또는 록볼트의 지보기능이 발휘되기까지 터널 굴착면의 안정을 도모하는데 매우 중요한 역할을 수행한다. 일반적으로 수평터널의 강지보재는 중력방향으로 설치되고 있으며 시공성 및 안정성 측면에서 모두 유리한 것으로 알려져 있다. 그러나 경사터널의 경우는 터널 벽면에 작용하는 주응력 방향과 중력방향이 서로 다르기 때문에 최적의 강지보재 설치방향은 수평터널에서의 중력방향과는 다를 수 있다. 본 연구에서는 수치해석 방법을 이용하여 경사터널 벽면에 작용하는 힘의 작용방향을 규명하였으며 그 방향이 최적의 강지보재 설치방향이 될 수 있다. 즉, 강지보재의 지보효율은 터널 변위가 발생하는 방향으로 저항하도록 설치하는 경우에 최대가 될 수 있다. 국내 터널설계기준에서 제안하고 있는 경사터널에서의 세 가지 강지보재 설치방향을 모델로 설정하여 단계별 해석을 통한 비교검토를 수행하였다. 연구결과 경사터널 벽면에서의 변위 발생각은 막장경사와 관계없이 모두 터널 굴착면에 수직한 방향과 유사한 각도로 발생하므로 경사터널에서의 강지보재는 터널 굴착면에 수직인 방향으로 설치하는 경우가 지보효율 측면에서 보다 유리한 것으로 검토되었다.

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압력하중 하에서 생체모방 섬유강화 복합재의 기계적 거동 연구 (A Study on the Mechanical Behavior of Biomimetic Fiber-Reinforced Composites under Pressure Loads)

  • 이진호;조현석;김명수
    • Composites Research
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    • 제32권1호
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    • pp.50-55
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    • 2019
  • 본 연구에서는 생체모방 섬유강화 복합재에서 섬유의 나선형 구조의 배열이 복합재의 기계적 물성에 미치는 영향을 연구하였다. 유한요소해석을 이용해 원형의 생체모방 섬유강화 복합재를 구성하였고, 다양한 크기의 압력하중을 복합재 면에 적용시켜 굽힘과 파괴 거동의 결과를 분석하였다. 섬유의 정렬 방향에 따라 파괴 형상이 다르게 나타났고, 복합재에서 섬유의 나선형 구조 배열이 압력하중하에서 복합재의 굽힘 파괴강도를 크게 향상시키는 것으로 나타났다. 이는 섬유가 각 층별로 여러 방향으로 정렬되어 외부하중에 의한 파괴에너지가 여러방향으로 분산되는 것에서 기인한다.