Design and development of a lightweight metallic sandwich panel using cross-sectionally curved pyramidal truss cores

Abstract

환경 문제 및 자원 고갈 등과 같은 사회적 문제에 따라 경량화 소재가 각광을 받음으로써 대표적인 경량화 소재인 샌드위치 소재에 대한 연구가 증가하고 있다. 다양한 기능을 수행하기 위해 샌드위치 구조에 대한 연구가 진행되고 있지만, 대량 생산에 용이하지 않다는 점에서 그 적용 및 응용범위가 제한되고 있다. 본 연구에서는 대량생산이 가능하도록 박판재를 성형하여 제작된 금속 샌드위치 구조재를 개발하며 박판재 내부 구조 형상을 설계하여 구조 강도를 향상시킨 샌드위치 소재를 제작 하고자 한다. 기초연구대상으로 피라미드형 트러스 코어를 분석하여 주요 형상 변수를 정의하였다. 제안된 샌드위치 내부 구조의 경우 접착부는 직사각형인 박판재에 형상이고 내부 부재 중앙 부분에서는 다양한 형상으로 변화한다. 이에 두 영역을 연결하는 천이구간이 발생하게 된다. 3점 굽힘 실험시 발생하는 파괴 모드를 도출하여 파괴지도를 도시화 하였다. 피라미드 코어의 내부 단면 형상의 변화하는 특성을 고려하여 효율적으로 파괴 지도를 묘사하였다. 3점 굽힘 실험시 대변형에도 구조 강건성을 확보하기 위하여 소성 물성을 이용하여 파괴 지도를 수정하였다. FEM 및 실험 결과를 가지고 그 결과를 비교 및 검증하였다. 수정된 파괴 지도는 실험 및 해석에서 나온 결함모드를 거의 동일하게 예측하였다. 또한, 최적의 설계조건도 제시하는 효율적인 방법임을 보였다. 결함모드에 따른 하중선도를 비교해 보면 금속 구조물의 건정성에 영향을 미치는 것은 좌굴 결함들이다. 이중에서 표면판재에 의한 좌굴모드가 구조 지지 하중을 급격하게 감소시키는 원인으로 분석이 된다. 이에 샌드위치 소재 설계시 표면판재 좌굴영역을 피해 설계하는 것이 유리하다는 것을 보여준다. 단면 형상을 가지는 구조재의 좌굴이 본 피라미드 샌드위치 구조 설계에서 주요한 인자이다. 이에 단면 형상이 변화하는 경우에 대한 좌굴 모드를 분석하였다. 이를 위해 이론적인 좌굴식을 재정립하였으며, FEM 해석 결과와 비교 분석하였다. 일반적으로 보의 세장비가 클 경우, Flexural좌굴(오일러 좌굴) 모드가 발생하게 된다. 그러나 세장비가 작아지는 구조에는 국부적인 좌굴모드나 뒤틀림 좌굴모드가 발생하게 된다. 본 연구에서 제안한 샌드위치 구조의 단면 형상은 한방향 대칭이기 때문에 Flexural-Torsional 좌굴 모드가 발생하게 된다. 에너지법을 기준으로 고유값을 이용하여 각 모드의 임계하중을 유도하였으며, 이를 FEM 해석결과와 비교하였다. 기존 경계조건(양끝단이 고정)로 유도한 결과가 FEM 해석와 비교해서 차이가 발생하여 경계조건에 대한 연구를 진행하였다. 기존의 강체 연결 조건대신 Semi-rigid 연결을 적용하여 유도식을 재정립하였다. 실제 연결부위는 완전 구속 조건이더라도 천이구간의 영향으로 완전구속 조건이 아닌 강성 스프링으로 연결된 구조로 모델을 수정하였다. 이때 강성 스프링값은 유한 요소 결과로부터 유추하였다. 수정된 모델식과 FEM 결과를 비교분석하면 Flexural 좌굴 모드에서는 일치하는 결과를 보여주지만, Flexural-torsional 좌굴모드에서는 천이구간비에 따라 결과가 차이가 났다. 연결부의 강성 스프링값이 천이구간비에 따라 변화한다는 가정으로 비교 분석해 본 결과, 천이구간 비가 클수록 축방향 강성스프링 상수가 증가하는 것을 확인 할 수가 있었다. 따라서, 천이구간이 증가할수록 Flexural 좌굴모드 발생 영역이 증가하게 된다. 피라미드 내부 구조재에서 천이구간에 의해 구조 특성이 완화되는 것을 방지하기 위해 천이구간을 최소화 하면서 연결부분을 강화하여 구조 강도를 향상시킨 설계안을 제시하였다. 또한, 내부 구조재의 간격을 줄여 중첩되는 영역이 발생하게 함으써, 구조 강도 상승 및 제작시 정렬이 용이해지는 장점을 가지게 된다. 상기 구조를 실제 제작하여 기계적 물성 평가를 통해 기존 구조에 비해 우수한 특성을 가지는 것을 확인하였다. 유전자 알고리즘을 이용하여 내부 구조재 단면형상을 최적화를 진행하였다. 베지어 곡선을 이용하여 최대 단면 관성모멘트를 가지고도록 단면 구조형상을 설계하였다. 또한, 베이지어 곡면을 이용하여 내부 부재의 형상을 최적화 하였다. 이를 FEM 해석으로 검증한 결과 단위 무게에 지지하는 하중이 기존 박판재 형상에 비해, 단면 형상만 최적화 한 경우에는 339% 증가하고 내부 부재 형상을 최적화 한 경우에는 400%가 증가하는 것을 확인하였다. 초기 비강성의 경우에는 50 % 이상 향상 효과가 있음을 보여주었다. 개방형 구조의 고강도 피라미드 내부 구조재를 제작함으로써 고기능성 튜브재에 적용이 가능하며 이를 통해 기존 산업에 이바지 할 것으로 기대 된다.