알루미늄/CFRP 하이브리드 사각 튜브의 탄소섬유 구조에 따른 충격 압궤 응답 및 에너지 흡수 특성

Abstract

차량용 에너지 흡수 부재는 충돌 시 부재 자체가 희생하여 에너지를 흡수 함으로써, 인명 보호 및 기타 다른 장비들에 무리가 없도록 하는데 그 목적이 있다. NCSA(National Centre for Statistics & Analysis)에 의하면, 자동차 사고에서 정면충돌에 대한 빈도와 인명피해의 비중이 크므로, 인명피해 및 수리비를 감소시키기 위해서는 에너지 흡수능력이 뛰어난 부재가 필요하다. 더불어, 연비규제 및 환경규제에 대응하기 위하여 차체 경량화 또한 고려하여야 한다. 이에 본 연구에서는 차량 정면충돌용 에너지 흡수 부재의 내충격성 향상 및 경량화를 목적으로 하여, Aluminum/CFRP 하이브리드 튜브에 대한 연구를 진행하였다. 실험변수로 CFRP의 섬유구조와 적층각도, 적층두께를 설정하고 각각 비 에너지 흡수량을 측정하여 최적의 경우를 조사하였다. 먼저 섬유 구조에 대해서는 일방향 CFRP와 직물형 CFRP를 사용하였다. 적층 각도에 대해서는 일방향 CFRP에 $[0]_{4n}, [90]_{4n}, [0/90]_{2n}, [90/0]_{2n}, [+45/-45]_{2n}, [0/+45/-45/90]_{n}$ 의 6가지 경우를, 직물형 CFRP에 $[0]_{2n}, [0/45]_n, [45/0]_n, [45]_{2n}$의 4가지 경우를 고려하였다. 마지막으로 적층두께에 대해서는 n=1, n=2 인 경우에 대하여 실험하였고, 위의 실험변수들이 충격 응답, 붕괴 거동 및 비 에너지 흡수율에 어떤 영향을 미치는지 종합적으로 파악하였다. 실험은 실제 경계조건을 고려하였으며, 1300 J ~ 1400 J의 충돌 에너지를 28.3 kg의 임팩터로 9.7 m/s ~ 10.0 m/s의 속도로 모든 시편에 가했다. 결과적으로, 비 에너지 흡수율이 가장 높은 경우는 Aluminum/직물형 $[0_f /45_f]_2$ CFRP 하이브리드 시편이었고 이때의 비 에너지 흡수율과 충돌 힘 효율은 순수 알루미늄 튜브보다 각각 23%, 20% 증가하였다.