Crashworthiness refers to the ability to safely protect occupants and cargo in the event of an aircraft accident. Energy absorbing structures are primarily employed for ensuring crashworthiness, serving as passive safety systems that convert the kinetic energy generated during a crash into other forms of energy, thereby minimizing the energy transferred to occupants and cargo. In the case of aircraft, energy absorbing structures are utilized in landing gear, subfloor fuselage structures, seats, and other components. In the event of an aircraft crash, the energy absorbing structures typically experience a combined shear-compression loading, necessitating a design that considers both shear and axial loads. Failure to account for shear loads can significantly compromise the energy absorption performance due to shear-induced damage, impacting passenger survival rates.
In this dissertation, we conducted a study on the design of energy absorbing structures that effectively utilize the energy absorption principles of the material under combined shear-compression loading. We applied concave and convex designs to energy absorbing structures made of isotropic and anisotropic materials, studying the energy absorption characteristics accordingly. Metals and braided composites represent typical isotropic and anisotropic materials, respectively, commonly used in energy absorbing structures. The energy absorption principles vary depending on the characteristics of each material. For metal energy absorbing structures, a design maximizing energy absorption through plastic deformation, utilizing the material's high ductility, is necessary. Concave and convex designs induce initial damage due to stress concentration when subjected to loads, reducing the maximum load. Subsequently, the load is distributed throughout the entire structure, improving load-bearing performance and enhancing energy absorption performance through plastic deformation. This is effective in improving energy absorption performance for combined shear-compression loads regardless of the load angle. Braided composite materials exhibit superior characteristics in terms of specific stiffness, strength, and energy absorption performance compared to metals, with brittle failure being the predominant mode due to their lower ductility than metals. In the case of braided composite materials, they absorb energy through damage accumulation in the laminate. Therefore, to maximize the performance of the energy absorbing structure, it is necessary to induce a progressive failure mode. Applying a straight design results in shear failure at the ends, followed by a progressive crushing mode induced by stress concentration. Therefore, in the case of braided composite materials, effective energy absorption performance can be achieved without altering the geometric shape, unlike metals. Through finite element analysis, structural characteristics were analyzed based on geometry and material. Energy absorbing structures were fabricated based on the results of parametric studies, and quasi-static compression tests and drop impact tests were conducted.
In conclusion, it was observed that the geometric shapes effective in enhancing crashworthiness vary according to the energy absorption principles of each material. The metallic energy absorbing structure requires the design of geometric shapes to maximize plastic deformation, while for composite materials, a straight design is sufficient to induce a progressive failure mode that maximizes damage accumulation in the laminate. The energy absorption per unit volume was found to be superior for metal energy absorbing structures, whereas the energy absorption per unit mass was better for composite energy absorbing structures. Therefore, depending on the application, both metals and composites can be effectively utilized as materials for energy absorbing structures. Additionally, experimental verification confirmed that the energy absorption principles of braided composite materials are equally applicable to combined shear-compression loading, an area less explored in existing research.
충돌 안전성은 항공기 사고 발생 시 탑승자 및 탑재체를 안전하게 보호할 수 있는 능력을 의미한다. 에너지 흡수 구조는 충돌 안전성 확보를 위해 주로 활용되며, 충돌 시 발생하는 운동 에너지를 다른 형태의 에너지로 변환하여 탑승자와 탑재체에 전달되는 에너지를 최소화하는 수동 안전 시스템이다. 항공기의 경우 착륙장치, 하부 동체 구조 및 좌석 등에 에너지 흡수 구조가 활용된다. 항공기 충돌 시, 에너지 흡수 구조에는 일반적으로 전단-압축 복합하중이 가해지게 되며, 따라서 전단 하중과 축 하중을 모두 고려하여 설계해야 한다. 전단 하중을 고려하지 않을 경우 전단 하중에 의한 파손으로 에너지 흡수 성능이 크게 저하될 수 있다. 이는 탑승객의 생존률을 떨어뜨리는 요소이다.
본 논문에서는 전단-압축 복합하중에 대해, 재질의 에너지 흡수 원리를 효과적으로 활용할 수 있는 설계에 대해 연구하였다. 등방성 재질과 이방성 재질로 제작된 에너지 흡수 구조에 오목 설계, 볼록 설계를 적용하였고, 이에 따른 에너지 흡수 특성에 대해 연구하였다. 금속재와 편조 복합재는 각각 대표적인 등방성, 이방성 재질로 에너지 흡수 구조에 주로 활용되며, 각 재질의 특성에 따라 에너지 흡수 원리가 달라진다. 금속재 에너지 흡수 구조의 경우, 재질의 높은 연성을 활용하여 소성 변형에 의한 에너지 흡수를 극대화할 수 있는 설계를 필요로 한다. 오목 설계와 볼록 설계는 구조 특성상 하중이 가해졌을 때 응력 집중에 의해 초기 파손을 유도하여 최대 하중을 저감시킨다. 이후 하중을 구조 전체로 분산하여 하중지지 성능이 높아지며, 소성 변형에 의한 에너지 흡수 성능이 개선된다. 이는 하중 각도에 관계없이 성립하여 전단-압축 복합하중에 대한 에너지 흡수 성능 개선에 효과적이다. 편조 복합재는 금속재에 비해 비강성, 비강도, 비에너지 흡수 성능이 우수하며, 금속재에 비해 연성이 낮아 취성 파손이 주로 발생한다. 편조 복합재의 경우, 라미네이트에 누적되는 손상에 의해 에너지를 흡수하게 된다. 따라서, 에너지 흡수 구조의 성능을 극대화하기 위해서는 점진적인 파손 모드를 유도해야 한다. 직선 설계를 적용하면 끝단에 전단 파손이 발생하며, 이후 응력 집중에 의해 점진적인 파손 모드가 유도된다. 따라서 편조 복합재의 경우, 금속재와 달리 기하 형상의 변경 없이도 효과적인 에너지 흡수 성능을 확보할 수 있다. 유한 요소 해석을 통해 기하 형상, 재질에 따른 구조 특성을 분석하였다. 파라메트릭 스터디 결과를 바탕으로 에너지 흡수 구조를 제작하였고, 준정적 압축 시험과 낙하 충격 시험을 수행하였다.
결론적으로, 각 재질의 에너지 흡수 원리에 따라 충돌 안전성을 효과적으로 개선할 수 있는 기하 형상이 달라지는 것을 알 수 있었다. 금속재 에너지 흡수 구조는 소성 변형의 극대화를 위해 기하 형상의 설계를 필요로 하지만, 복합재는 라미네이트의 손상 누적을 극대화할 수 있는 점진적인 파손 모드 유도를 위해 직선 설계를 활용하는 것으로 충분하다. 단위 부피당 에너지 흡수 성능은 금속재 에너지 흡수 구조, 단위 질량당 에너지 흡수 성능은 복합재 에너지 흡수 구조가 각각 더 우수하였다. 따라서, 용도에 따라 금속재와 복합재 모두 에너지 흡수 구조의 재질로서 효과적으로 활용될 수 있다. 또한, 편조 복합재의 에너지 흡수 원리가 기존에 잘 연구되지 않았던 전단-압축 복합하중에 대해 동일하게 적용됨을 실험적으로 검증하였다.
