In this study, experimental results of the SLB joints with a micro-patterned surface were analyzed and a cohesive zone model was constructed to perform a finite element analysis. The micro-pattern was fabricated by a wet etching and photolithography and the SLB joints were manufactured by a co-curing process. Then, three point bending tests were conducted. The experimental results showed that failure loads were increased due to an expanded bonding area, alteration of a local stress condition and mechanical interlocking effect. A direction of the crack propagation is changed by the mode mixity and characteristics of failure are different from the surface treatment methods. Therefore, the patterned surface was divided into three surfaces and the cohesive zone model was constructed respectively. There are no standard methods to determine the cohesive paramters and they are usually settled through a trial and error process. To overcome this crude process, a systematic process was proposed with the design of experiment and Kriging metamodel. Then, cohesive parameters were determined by applying the optimization algorithm to minimize the load difference between the experiment and the simulation. A finite element analysis was performed with the cohesive zone model constructed by the proposed procedure. The load-displacement curves by the finite element analysis were in good agreement with the experimental results. The failure loads were predicted with a relative error 5%. Therefore, it can be concluded that the behavior of the SLB joint and the failure load can be predicted through the finite element analysis with the cohesive zone model representing the patterned surface and shape.
Primary parameters contributing to improve the failure loads were the expanded bonding area, altera-tion of a local stress and mechanical interlocking effect. The effects of these parameters were analyzed by the finite element analysis. The behavior and failure load of the SLB joint were examined along the bonding area. The local stress condition and mechanical interlocking effect were analyzed though the pattern shape changes. The expaneded bonding area is the main parameter for elevating the failure loads. A relation between the pattern and external load affects the local stress condition and the mechanical interlocking effect and it influences the failure load. Therefore, it is confirmed that the pattern leads the widened bonding area, change of the local stress state and mechanical interlocking and these influences the failure load. Based on these results, optimal pattern design was performed to improve the failure load. At first, the parameters were selected to define the pattern shape based on the assumptions and the sampling points were determined by the central composite method. These sampling points represent the various pattern shape. The finite element analysis was applied to the simple model with the sampling points and various mixed mode load condition. Then, the failure loads for each sampling point were obtained. Finally, optimized pattern shape was proposed by the optimization process to maximize the failure load. A depth of the pattern was formed at the boundary condition to maximize the bonding area and a width became wider as mixed mode condition became mode II. Finally, designed pattern shape was modeled into the SLB joint and finite element analysis was performed. The numerical results showed improved failure load.
접착 조인트는 상대적으로 무게가 가볍고 모재의 종류에 관계없이 결합이 가능하며 응력 집중이 기계적 결합 방법에 비해 적다는 장점을 가지고 있다. 이러한 장점을 바탕으로 전투기 날개의 구조 접착에 사용된 이래 반도체, 항공기, 우주선과 같은 다양한 분야에서 점차 널리 사용되고 있다. 이에 따라 접착 강도를 향상시키고자 하는 연구와 접착 조인트의 거동과 파손을 예측하고자 하는 연구들이 다양하게 진행되어 왔다. 그렇지만 강도 향상을 위한 실험적 연구들을 거동과 파손 예측의 연구에 결합하여 조인트의 강도 향상을 위한 설계에 적용하기에는 더 많은 연구가 필요한 실정이다.
본 연구에서는 습식 에칭과 사진석판인쇄를 통해 연마 처리를 한 강의 표면에 마이크로 패턴 표면을 생성하고 CFRP/강의SLB 조인트를 제작하여 3점 굽힘 실험을 수행하였다. 그리고 실험 결과로부터 패턴이 있는 접착부의 파손 특성과 파손 하중 원인을 분석하였다. 실험 분석 결과, 사포 표면 처리를 수행한 시편에 비해 파손 하중이 크게 증가하였으며 그 원인으로 표면 처리의 특성과 패턴으로 인한 효과를 확인하였다. 또한, 혼합 모드에 따라 파손의 방향이 달라지므로 유한요소해석을 통해 패턴이 있는 접착부의 거동 근사를 위해 패턴부를 면의 특성에 따라 세 구간으로 정의하고 각 영역에 맞는 응집 영역 모델을 구성하였다. 응집 영역 모델을 구성하는 응집 파라미터는 아직까지 결정할 수 있는 표준적인 방법이 없으므로 본 연구에서는 실험 계획법과 크리깅 메타 모델을 통해 실험과 해석의 하중 오차를 근사하고 이를 최소로 하는 목적 함수에 대해 최적화 과정을 통해 파라미터를 결정하는 과정을 제안하였다. 제안된 과정을 통해 구성된 응집 영역 모델을 패턴이 있는 SLB 시편의 유한요소해석에 적용하고 해석 결과를 분석하였다. 유한요소해석의 하중-변위 선도는 실험 결과를 잘 근사하였으며 혼합 모드에 관계 없이 상대 하중 오차를 5%내로 예측하였다. 따라서, 본 연구에서 제안한 응집 영역 모델 구성 과정과 유한요소해석을 통해 접착 조인트의 거동과 파손 하중을 예측할 수 있다.
이를 바탕으로 본 연구에서는 접착 강도 향상을 위한 패턴의 설계를 수행하였다. 실험 결과로부터 접착 면적의 증가와 패턴의 형상 효과가 접착 강도 향상에 큰 영향을 미치는 인자로 분석하였다. 따라서 유한요소해석을 통해SLB 조인트의 접착 길이에 따른 거동과 파손 하중을 면밀하게 분석하였다. 유한요소해석 결과, 접착 길이의 증가는 파손 하중 증가에 선형적으로 영향을 주며, 외부 하중과 패턴과의 관계는 국부 응력의 변화와 기계적 맞물림 효과에 영향을 준다. 이를 바탕으로 접착 강도를 향상시키는 패턴 설계를 위한 패턴의 형상 파라미터를 정의하고 패턴 형상에 대한 가정을 바탕으로 파라미터의 범위를 결정하였다. 그리고 중심 합성법을 사용하여 패턴 형상 파라미터에 대한 실험점의 위치를 정하고 수치 실험을 수행할 모델과 하중을 정의한 후 유한요소해석을 통해 각 실험점에 대한 파손 하중을 구하였다. 그리고 이 파손 하중이 최대가 되는 목적함수에 대해 최적화 과정을 거쳐 패턴을 설계하였다. 설계된 패턴의 깊이는 깊이를 나타내는 형상 파라미터의 상한치에서 수렴하였으며, 모드II 상태로 갈수록 패턴의 너비가 넓어지는 형태로 설계가 되었다. 이는 깊이 방향이 접착 길이 증가에 가장 큰 기여를 하는 파라미터이기 때문이며 너비 방향에 대해서는 기계적 맞물림 현상이 크게 나타나는 모드에 대해 그 효과를 받는 면적이 크게 나타나도록 한 것이다. 혼합 모드의 변화에 따라 큰 형상의 변화는 나타나지 않았으며 사다리꼴 형상의 패턴이 최적 패턴으로 나타났다. 최종적으로 설계된 패턴의 형상을 SLB 시편의 유한요소해석에 다시 적용하여 실험에서 사용했던 반원 패턴의 결과와 비교하였다. 그 결과 혼합 모드의 상태에 관계없이 모두 설계된 패턴이 높은 파손 하중을 나타내고 있음을 확인할 수 있었다.
