They have been widely used in lightweight structures such as robots, machine tools, and passenger cars, because fiber reinforced composites have both high specific stiffness (modulus/density) and specific strength (strength/density),. Especially, glass fiber reinforced polymeric composites have been used for structures subjected to static and dynamic loads such as bumpers and impact beams because of their high impact energy absorption characteristics and impact damage tolerance. Nowadays the impact characteristics of glass fiber reinforced composite materials are being studied much for the application to structures subjected to impact loads.
Toecaps are installed in the front parts of safety shoes to protect a worker’s toes from external static and impact loads. The impact energy absorption capability of conventional steel toecap decreases much when the service temperature is below the nil ductility temperature of the steel, and the heavy weight of toecap may increase the worker’s fatigue.
In this study, the glass fiber polyester composite toecap for safety shoes was designed and manufactured to increase the energy absorption capacity during impact and to reduce the weight of steel toecap. The static compression and drop weight impact tests of the composite toecap were performed with respect to stacking sequence, and the damage after impact was measured by macrography and CAI (Compression after impact) test. From the experimental results, it was found that the stacking sequence and fiber types of the composite toecaps had much influence on the static stiffness and impact damage of the toecap. The weight saving of the composite toecap was about 40% compared with the steel toecap of comparable static and impact characteristics.
본 연구는 안전화의 선심에 관한 것으로 일반적으로 선심은 안전화의 앞부분에 위치하여 외부의 압박이나 충격으로부터 작업자의 발을 보호하는 기능을 한다. Fig. 1은 안전화의 단면을 보여주고 있다. 현재까지 종래의 선심은 steel로 제조되어 왔으나 steel은 저온에서 취성이 강하다는 단점이 있고, 무게가 무거워 작업자가 장시간 착용 시 피로를 증대 시킬 수 있으며, steel선심의 부식을 방지하기 위해 방청 도포 공정을 하는데 이는 선심과 안전화 가죽과의 접착력을 저하 시키는 문제가 있다.
이러한 단점을 극복하기 위한 방법으로 여러 가지 복합재료 중 제조원가를 고려하여 유리섬유 강화 복합재료를 사용하여 제조하였다. 유리섬유는 일반적으로 충격 흡수능이 우수하고, 비강성 및 비강도가 높아 경량화 할 수 있으며, 단열 및 보온효과가 steel 보다 우수하다는 장점이 있다. 또한 비금속 물질로 금속탐지가 되지 않아 공항 또는 자기장의 영향을 받는 곳에서도 착용될 수 있는 장점도 있다.
유리섬유 강화 복합재료 선심의 두께를 결정하기 위한 방법으로 유한요소해석 (ABAQUS) 프로그램을 사용하여 정적 및 충격 해석을 실시하였고, 최적의 적층 각 및 적층 순서를 결정하기 여러 가지 실험변수를 선정하여 정적 및 충격 실험을 수행 하였다. 이러한 실험 결과를 선심의 시편형상을 제조하는데 적용하여 여러 가지 형태의 복합재료 선심시편을 제조하고 안전화 시험규정의 방법으로 실험하여 기존의 steel 선심과 비교하였다. 또한 충격실험 후 영구 변형률을 측정하여 steel 선심과 비교 하였으며, 복합재료는 여러 가지 파괴모드가 나타나기 때문에 적층각 및 적층순서에 따른 정적 및 충격 파괴모드를 평가하여 최적의 시험변수를 결정하였다. CAI (Compression After Impact) 시험을 수행하여 반복적인 충격에 따른 선심의 damage 변화를 관찰하고 반복적인 충격에 따른 정적 강도 평가를 실시하여 정량화 하였다.
