Diversified efforts are currently being concentrated for maximizing the efficiency of fossil energy, particularly on research for raising energy efficiency through weight reduction. A sandwich plate is a representative method of weight reduction presently used in various fields such as automobiles, aircrafts, sports equipment, and machine tools. In this study, the overall process related to the development and design of a sandwich plate with a truss core is studied. The objective of this thesis is to develop the design of-and an efficient production method for producing-a metal sandwich plate with a truss core that offers reduced weight while retaining sufficient impact resistance. To develop a cost-effective fabrication method, the concept of the continuous fabrication of a metallic sandwich plate with a three-dimensional truss core is introduced. The method consists of three processes: metallic mesh manufacture, truss core making, and bonding. A process to fabricate rhombic-shaped metal meshes without material loss is introduced. In order to construct the truss core, a crimping process is employed. Bonding is carried out using multi-point resistance welding with a pair of roll electrodes. To realize the proposed process, a prototype apparatus was assembled. Sandwich plates with a pyramidal truss core are fabricated on an integrated system for continuous fabrication and various experimental verifications are performed in order to investigate the practical applicability of the proposed process. For the design of the sandwich plate with a truss core, a design method that not only reduces the weight but also ensures impact resistance is suggested. The physical properties determining the characteristics of sandwich plates with truss cores as well as corresponding equations are described. Five major failure modes are described and dimensionless formulation for four failure modes is accomplished. Minimum weight design requires four equations for general sandwich plates with truss cores, and the design procedure is considerably simplified by the limiting conditions from the characteristics of the proposed manufacturing process. Sandwich plates with truss cores can be designed more efficiently with this simplified design procedure. To improve the impact resistance of the sandwich plate with a truss core under low velocity impact, the optimal edge ratio and crimping angle of the truss structure are proposed. Applying the proposed conditions, the sandwich plate with a truss core shows very good resistance. The impact-resistance design was verified numerically and experimentally. The sandwich plate fabricated according to the impact-resistance design shows 85% deflection, readily secures a safety space, and provides up to 20% improved impact absorption capacity as compared with a monocoque plate comprised of the same material and having the same weight. In order to extend the applicability of the sandwich plate, a curved sandwich plate with a truss core is studied. A sandwich tube with a truss core is fabricated in the representative form having curvature and its characteristics are investigated through experiments and analyses. It was found from the results that the sandwich tube provides excellent energy absorption as compared with a monocoque plate of similar weight.
석유자원 고갈과 환경문제는 보다 효율적인 운송수단의 개발을 필요로 한다. 경량화는 운송수단의 에너지효율을 높이는 중요한 수단중의 하나이다. 다양한 경량화 재료가 개발되었고 그 중 대표적인 것이 샌드위치 판재이다. 샌드위치 판재는 면재 사이에 저밀도의 심재를 배치시켜 고비강성 및 고비강도를 구현할 수 있다. 다양한 샌드위치 구조물이 개발되었고 최근에는 트러스형 내부구조를 가지는 금속 샌드위치 판재에 대한 관심이 커지고 있다. 트러스형 금속 샌드위치 판재가 가지는 장점은 첫째 높은 상대밀도로 인해 경량화율이 높고 둘째 심재인 내부구조가 개방형이라 여러가지 용도로 활용이 가능하며 셋째 금속의 소성변형특성을 활용한다면 특성상 경량-내충격 재료로의 개발이 가능하다는 것이다. 반면 트러스 구조의 형상이 복잡하여 제조가 어렵고 금속간의 접합이 용이하지 않아 공정이 번거로운 단점이 있으며 이는 제조단가의 상승을 초래한다. 본 연구에서는 이러한 단점을 극복하고 장점을 극대화 하기 위해 3차원 트러스형 구조를 내부에 가지는 금속 샌드위치 판재의 설계 및 제작공정 개발에 관한 연구를 수행하였다. 가격경쟁력을 가지기 위한 효율적인 공정개발을 위해 연속적인 생산공정에 관한 연구를 수행하였다. 박판금속은 전단-성형공정을 통해 사각금속망으로 재료의 손실 없이 제조될 수 있다. 제조된 사각금속망은 대각선 방향으로 절곡하여 피라미드형 트러스 구조를 생성될 수 있다. 최종적으로 면재 와 트러스 심재는 롤 형태의 회전전극을 가지는 다점전기저항용접으로 제작될 수 있다. 이러한 개념을 실제 장치로 구현하였으며 제작된 장치를 통해 시편을 제작 수행하였고 공정 결함을 최소화 하기 위한 공정 변수 연구가 수행되었다. 이러한 샌드위치 판재를 설계하기 위해 강도설계에 기초한 설계식이 유도되었다. 샌드위치 판재의 파손모드를 4가지로 분류하고 각각의 경우에 대한 파손식을 유도하여 무차원화 하였다. 내충격성을 가지는 샌드위치 판재의 설계를 위해 트러스 구조의 최적의 길이비를 도출하였으며 제안된 길이비에 대한 수치해석 및 실험을 통해 경량화 및 내충격성의 개선 정도를 비교 평가하였다. 해석적 평가를 효율적으로 수행하기 위해 축약모델이 사용되었으며 내충격성 실험을 위해 낙하충격시험기를 구성하였다. 이를 통해 트러스형 샌드위치 판재는 충격변형에 대한 저항성은 크면서도 충격흡수율은 높은 우수한 재료임이 확인되었다. 일반적으로 샌드위치 판재는 높은 굽힘강성으로 인하여 변형이 어렵고 곡률을 가지도록 제작하기가 쉽지 않다. 그러나 보다 다양한 산업적용을 위한 곡률을 가지는 샌드위치 판재의 개발은 필요하다. 이를 위해 원형 실린더 형상을 가지는 샌드위치 튜브를 제작하였으며 실험과 해석을 통해 그 특성을 분석하였다. 튜브형의 샌드위치 구조물의 경우 평판형의 구조물에 비하여 보다 우수한 에너지흡수 특성을 보였다. 본 연구를 통해 샌드위치 판재의 설계 및 경쟁력 있는 제조에 대한 전반적인 연구가 수행되었다. 공정의 고정밀화 및 안정화 그리고 다양한 곡률을 가진 샌드위치 구조물의 지속적인 개발이 이루어 지고 아울러 진동, 소음, 열전달과 같은 특성이 연구된다면 고성능 다기능성 재료로의 개발 및 역할을 기대할 수 있을 것으로 예상된다.
