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Bending collapse and energy absorption characteristics of aluminum/CFRP hybrid square hollow section beam for lightweight structure development = 경량 구조 시스템 개발을 위한 알루미늄/CFRP 하이브리드 사각 중공 빔의 굽힘 붕괴 및 에너지 흡수 특성
서명 / 저자 Bending collapse and energy absorption characteristics of aluminum/CFRP hybrid square hollow section beam for lightweight structure development = 경량 구조 시스템 개발을 위한 알루미늄/CFRP 하이브리드 사각 중공 빔의 굽힘 붕괴 및 에너지 흡수 특성 / Hee-Chul Kim.
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2014].
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The bending collapse and energy absorption characteristics of an aluminum (Al)/CFRP hybrid square hollow section (SHS) beam were studied to improve structural rigidity and energy absorption characteristics of an Al SHS beam without compromising lightweight performance. Current methods of increasing the cross section thickness of an Al SHS beam for high structural rigidity and energy absorption capability are highly restricted by structural integrity problems, and this was proved by the observation of two different collapse behavior modes depending on the geometric characteristics. The stable bending collapse mode with plastic hinge formation can guarantee high structural integrity. In the case of the abrupt bending collapse mode with tensile tearing failure, in contrast, it is difficult to predict the failure. However, in the Al/CFRP hybrid SHS beam, the structural rigidity of Al SHS beam can be highly improved in the early stage of linear elastic and plastic buckling behavior regions by CFRP reinforcement and the energy absorption capability is also thereby highly improved. The CFRP is fractured in a catastrophic failure mode by unstable interlaminar and interlayer crack propagation under an unanticipated loading direction, but the catastrophic failure of CFRP can be changed to a progressive failure mode when the fracture of CFRP is guided by plastic deformation of Al. Therefore, in the hybrid SHS beam, stable bending collapse behavior with plastic hinge formation can be guaranteed by gradual degradation of the material properties of CFRP caused by progressive damage behavior and high structural integrity can be ensured. At the same time, in the bending collapse region, the peak load is decreased slowly by proper suppression of plastic hinge formation through CFRP reinforcement and the energy absorption capability is thus highly increased. Energy absorption characteristics and bending collapse behavior of an Al/CFRP hybrid SHS beam fabricated by a co-curing method in an autoclave curing process were evaluated by a three-point bending test to find the optimal CFRP reinforcement design in terms of stacking sequence and laminate thickness. The progressive damage behavior of the hybrid SHS beam was then investigated by a FEA at the early stage, including the linear elastic region and intermediate status region, when plastic buckling of metal and local damage of CFRP begin to occur. A nonlinear elasto-plasticity material model and progressive damage mechanics were applied for Al and CFRP, respectively. The stable bending collapse behavior with plastic hinge formation of the hybrid SHS beam could be analyzed by a modified Kecman’s model. From the results of the FEA and a theoretical analysis of the bending collapse behavior with damage propagation, the reinforcement direction of carbon fibers with respect to each different plastic hinge line, the residual reinforcement effect, and the interfacial adhesion between Al and CFRP were identified as the most important factors in terms of energy absorption characteristics. The effects of interfacial adhesion strength on the damage behavior and energy absorption characteristics of an hybrid SHS beam with a $[0\circ/+45\circ/90\circ/-45\circ]_n$ stacking sequence were therefore investigated. One layer of film adhesive was applied to prevent galvanic corrosion. The interfacial adhesion strength was improved by a combination of mechanical treatment and plasma treatment on the Al adherend. The mechanical treatment increased the surface roughness and thus improved the mechanical interlocking phenomenon, and the plasma treatment provided chemical functionalization to increase surface wettability and hydrophilicity. A different critical point of interfacial adhesion strength existed for each hybrid SHS beam specimen depending on the CFRP laminate thickness. The structural rigidity and energy absorption capability were not increased beyond the critical point of interfacial adhesion strength. This was verified by detailed observation of the failure mechanism of the hybrid SHS beam. Finally, the energy absorption capability and structural rigidity of the Al/CFRP hybrid SHS beam were compared to those of an Al SHS beam in the same mass conditions by assuming that the hybrid SHS beam was applied to the side sill of a super-lightweight auto-body frame instead of an Al SHS beam. The energy absorption capability of the hybrid SHS beam was verified to be much higher than that of the Al SHS beam with mass equivalent cross section thickness. The initial bending stiffness of the hybrid SHS beam was lower than that of the Al SHS beam with mass equivalent cross section thickness in the very early stage. However, after the yield point of Al, the hybrid SHS beam ensured much higher structural rigidity and structural integrity.

구조 경량화를 위해 사용이 크게 증가한 알루미늄 프레임의 경량성을 저하시키지 않고 구조 강성과 에너지 흡수 특성을 동시에 향상시키기 위해 비강도와 비강성이 우수한 CFRP로 알루미늄 프레임을 보강하는 연구를 수행했다. 알루미늄 프레임의 구조 강성과 에너지 흡수 능력을 향상시키기 위해 프레임 단면 두께를 증가시키는 방법이 있지만 이는 구조 강건성 (structural integrity)을 저하시키는 문제로 크게 제한된다. 알루미늄 프레임의 굽힘 특성에 따른 구조 강건성 문제는 기하학적 특성에 의해 발생하며 두 종류의 굽힘 붕괴 거동 모드를 통해 확인할 수 있다. 소성 힌지 형성을 수반한 안정적 굽힘 붕괴 모드 (stable bending collapse mode) 에서는 높은 구조 강건성을 보장할 수 있지만 인장 하중을 받는 프레임 바닥면에서 인장 찢김 파손 (tensile tearing failure)을 보이는 돌연한 굽힘 붕괴 모드 (abrupt bending collapse mode) 에서는 파손을 예측하기 어렵다. 하지만, 알루미늄/CFRP 하이브리드 프레임에서는 CFRP 보강으로 인하여 선형 탄성 영역과 소성 좌굴이 발생하는 초기 거동 영역에서 알루미늄 프레임의 구조 강성이 크게 향상되었고, 그 결과 에너지 흡수 능력 또한 향상될 수 있었다. 예상되지 못한 하중 하에서 CFRP 복합재료는 불안정한 층간 및 층내 균열 진전으로 인하여 극한 파손 모드 (catastrophic failure mode)를 보인다. 하지만, CFRP의 극한 파손 거동이 알루미늄 층의 소성 변형에 의해 가이드 되면 점진적 파손 모드 (progressive failure mode)로 전환될 수 있다. 따라서, 하이브리드 프레임 에서는 CFRP의 점진적 손상 거동에 따른 점진적 물성 저하로 소성 힌지 형성을 수반한 안정적 굽힘 붕괴 모드를 보장할 수 있고 높은 구조 강건성을 확보할 수 있다. 또한, 굽힘 붕괴 거동 영역에서는 알루미늄 층의 소성 힌지 형성을 CFRP 층에서 적절히 억제하고 최대 하중을 천천히 감소시킴으로써 에너지 흡수 능력을 극대화 시킬 수 있다. 적층 순서 및 적층 두께와 같은 최적의 CFRP 보강 설계 조건을 찾기 위하여 오토클레이브를 이용한 동시 경화법으로 알루미늄/CFRP 하이브리드 프레임 시편을 제작하고 삼 점 굽힘 실험을 통해 굽힘 붕괴 및 에너지 흡수 특성을 평가했다. 거동 초기의 선형 탄성 영역과 소성 좌굴 영역에서 발생하는 하이브리드 프레임의 점진적 파손 거동을 분석하기 위해 수치해석적 연구를 수행했다. 수치 해석 모델을 위해 알루미늄 층에는 비선형 탄소성 재료 모델이 적용되었고 CFRP 층에는 점진적 손상 모델이 적용되었다. 그리고, delamination과 debonding 파손을 정의하기 위해 traction separation law로 정의된 cohesive zone model을 적용했다. 최대 하중에 도달한 이후 거동 후기 하이브리드 프레임의 굽힘 붕괴 거동 영역을 분석하기 위해 수정된 Kecman 모델을 적용한 이론적 해석 연구를 수행했다. 알루미늄 재료와 CFRP 재료를 모두 강체 완전 소성 재료로 가정했고, 알루미늄/CFRP 하이브리드 층의 굽힘 모멘트를 계산하기 위해 에너지 등가 소성 유동 응력을 적용 했다. 손상 진전을 동반한 굽힘 붕괴 거동의 수치 해석 및 이론적 해석 연구 결과, 각각 다른 소성 힌지 라인을 보강하고 있는 탄소 섬유의 보강 방향, 점진적 손상에 따른 CFRP의 잔류 보강 효과, 그리고 알루미늄과 CFRP 층 사이의 계면 접착 강도가 하이브리드 프레임의 에너지 흡수 특성에 가장 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있었다. 따라서, 하이브리드 프레임의 계면 접착 강도에 따른 손상 거동 및 에너지 흡수 특성 변화를 연구했다. 그 결과, 하이브리드 프레임에서 CFRP 층의 보강 설계에 따라 에너지 흡수 능력을 최대화 시키는 적절한 레벨의 계면 접착 강도가 존재했고, 그것에 따른 파손 메커니즘 변화를 관찰함으로써 이를 규명하였다. 알루미늄/CFRP 하이브리드 프레임은 알루미늄 프레임을 대신하여 초경량 차체 프레임의 사이드 실 (side sill)에 적용되기에 매우 적합했다. 순수 알루미늄 프레임의 단면 두께를 증가시켜 하이브리드 프레임과 동일 질량 조건 하에서 에너지 흡수 특성 (energy absorption characteristics)과 구조 강성 (structural rigidity)을 비교했다. 그 결과, 하이브리드 프레임의 에너지 흡수 능력이 순수 알루미늄 프레임 보다 크게 높다는 것을 증명하였다. 구조 강성의 경우, 하이브리드 프레임의 초기 굽힘 강성 (bending stiffness)이 순수 알루미늄 프레임 보다 낮았지만, 알루미늄 재료의 항복점 이후 하이브리드 프레임의 구조 강성과 구조 강건성 (structural integrity)이 월등히 우수함을 확인했다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DME 14041
형태사항 ix, 160 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 김희철
지도교수의 영문표기 : Jung-Ju Lee
지도교수의 한글표기 : 이정주
수록잡지명 : "Characteristics of aluminum/CFRP short square hollow section beam under transverse quasi-static loading". COMPOSITES PART B-ENGINEERING, 51, 345-358(2013)
수록잡지명 : "Numerical analysis of the damage behavior of an aluminum/CFRP hybrid beam under three point bending". COMPOSITES PART B-ENGINEERING, 56, 397-407(2014)
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 기계공학전공,
서지주기 References : p. 151-153
주제 Aluminum (Al) / CFRP hybrid
Square hollow section (SHS) beam
Progressive damage mechanics
Interfacial adhesion strength
Energy absorption characteristics
알루미늄/CFRP 하이브리드
사각 중공 섹션 빔
점진적 손상 기구
계면 접착 강도
에너지 흡수 특성
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