A co-cured joint, whose curing and bonding processes are achieved simultaneously and whose adhesive is the excess resin extracted from composite materials during consolidation, has several advantages compared to the adhesively bonded joint because of its manufacturing simplicity. The co-cured joint requires neither adhesive nor surface treatment of the composite adherend. There are many bond parameters to affect the strength of co-cured lap joints, namely surface roughness of the steel adherend, stacking sequence of the composite adherend, bond length, and manufacturing pressure in the autoclave during bonding process.
In this paper, the joint strength of plate-type co-cured single and double lap joints with steel and carbon fiber-epoxy composite adherends was experimentally investigated through static and cyclic tensile load tests with respect to several bond parameters. Experimental results were explained with respect to the bond parameters through investigating failure surfaces on the steel adherend and lots of data from static and cyclic tensile tests. Based on the stress distribution of the co-cured single and double lap joints obtained through finite element analyses, tensile load bearing capacities were calculated considering two different failure models, the Ye-delamination failure criterion and the three-dimensional Tsai-Wu failure criterion. Finally, optimal conditions of the co-cured single and double lap joints to obtain more efficient mechanical characteristics were presented.
As another approach method to estimate the failure of the co-cured lap joints, formulation based on the fracture mechanics approach was also developed. The eigenvalue problem was used to determine asymptotic stress and displacement fields near the interface corner between anisotropic and isotropic adherends. Three examples related to the calculation of the order of the stress singularity at the interface corner of the anisotropic/isotropic bi-material were presented. For obtaining stress singularity strength at the interface corner a path independent conservative line integral derived from the Betti’s reciprocal principle was used.
본 연구에서는 기계적 성질이 우수한 복합재료와 산업 전반에 걸쳐 많이 사용되는 강재료를 접합한 판형 외면 및 양면 겹치기 동시경화조인트의 특성에 관하여 살펴 보았다.
외면겹치기 동시경화조인트의 정적 인장실험을 위하여 접합인자로서 강재료의 표면조도, 복합재료의 적층각도, 제조압력 등을 선택하였다. 실험결과, 파괴 메커니즘은 얇은 레진층에서의 접합층 파괴(Cohesive failure) 또는 복합재료의 첫 번째 플라이에서의 접합층 파괴로 나타났다. 외면겹치기 동시경화조인트의 경우 조인트 형상이 하중경로에 대해 비대칭 형상이므로 기계적 맞물림 현상(Mechanical interlocking effect)이 거의 발생하지 않아서 표면조도의 영향을 거의 받지 않는 것으로 나타났으며, 설계 시 가장 중요한 접합인자는 복합재료의 적층각도인 것으로 나타났다. 조인트 강도의 측면에서 볼 때, 기존의 접착제에 의한 접합조인트의 접합강도와 비교해 볼 때 거의 비슷한 수준이었다. 유한요소해석을 수행한 결과 계면횡단인장응력(Interfacial transverse normal stress)이 조인트 파괴에 가장 중요한 요소임을 알았고 Ye-층간분리 파괴조건(Ye-delamination failure criterion)이 실험결과를 가장 잘 예측할 수 있는 방법임을 알았다. 외면겹치기 동시경화조인트의 피로실험 결과로서는 파괴 메커니즘에 있어서 정적인 실험과는 달리 얇은 레진층에서 접합층 파괴로만 나타났다. 피로실험 결과를 분석해 보니 조인트의 피로특성에 가장 큰 영향을 미치는 접합인자는 복합재료의 적층각도라는 것을 확인할 수 있었다.
양면겹치기 동시경화조인트의 정적 인장실험에 사용된 접합인자는 외면겹치기 동시경화조인트의 경우와 마찬가지로 수행하였는데, 조인트의 파괴 메커니즘은 복합재료의 첫 번째 플라이에서의 접합층 파괴 또는 복합재료의 층간분리파괴(Interlaminar delamination failure)로 나타났다. 양면겹치기 동시경화조인트의 경우 조인트 형상이 하중경로에 대해 대칭이므로 기계적 맞물림 형상이 크게 발생함을 확인할 수 있었다. 설계 시 중요한 접합인자로는 강재료의 표면조도, 복합재료의 적층각도, 제조압력의 모두가 중요한 것으로 나타났다. 조인트 강도는 외면겹치기 동시경화조인트의 경우보다 조금 더 높은 결과를 얻었는데 이것은 기계적 맞물림 효과로부터 나타난 것이다. 유한요소해석을 수행한 결과 조인트의 계면을 따라 계면횡단압축응력이 발생하여 계면횡단전단응력이 조인트의 파괴에 큰 영향을 미칠 것을 예측할 수 있었다. 실험결과를 잘 예측할 수 있는 파괴조건은 3차원 Tsai-Wu 파괴조건(3D Tsai-Wu failure criterion)이었는데 이것은 파괴 메커니즘과 잘 일치하는 결과임을 확인할 수 있었다. 양면겹치기 동시경화조인트의 피로실험 결과로서는 적정인 실험결과와는 달리 얇은 레진층에서 접합층 파괴로만 나타났다. 실험결과를 분석한 결과, 조인트의 피로특성에 영향을 미치는 접합인자는 강재료의 표면조도와 복합재료의 적층각도인 것으로 나타났다.
본 연구에서는 위에서 수행한 응력기반 해석방법과 다르게 파괴역학적 이론에 기초한 해석방법을 또한 고려하였다. 즉, 복합재료와 강재료가 접합된 계면에서의 특성을 규명하고자 이방성 재료에 대한 2차원 탄성문제와 등방성 재료에 대한 2차원 탄성문제를 각각 수식화하였고, 확장 Stroh 형식(Expanded Stroh formalism)를 이용하여 복소수의 고유치와 고유벡터를 갖는 고유치 문제를 해결하였다. 문제의 예로써 균열 문제와 쐐기형 문제의 해를 제시하였다. 구해진 응력장과 변위장을 통해 보존적분의 하나인 H-integral과 보조장을 이용하여 응력특이성 강도(Stress singularity strength)를 구하는 방법을 구체적으로 제시하였다.
