직교 이방성 복합재료의 Bolted Joint 유한 요소 응력 해석

Abstract

직교 이방성 복합재료의 응용이 다변화되고 많은 구조물에 그 대체기 실현됨으로서 역학적으로 특이한 직교 이방성재료에 대한 연구 및 자료가 요청되고 있다. 기계적 결합법으로 많이 사용되는 bolted joint 의 경우 하중을 받으면 bolt 와 판재는 접촉하게 되고 그 접촉 영역내에서는 높은 접촉응력이 발생하게 되는데 국부적으로 존재하는 이 높은 접촉응력은 피로 파괴의 원인이 되므로 정학한 응력해석이 필요하게 된다. 본 논문에서는 유한요소법을 이용하여 bolted joint 부위의 응력 해석방법을 제시하고 bolt가 steel 이며 판재가 직교 이방성재료인 graphite/epoxy T300/5208 일때 여러가지 기하학적 조건과 재료의 성질에 따른 접촉영역과 접촉응력의 분포를 구하였다. 문제의 단순화를 위하여 bolt 와 관계의 접촉면에서 발생되는 마찰력은 무시하였으며 laminate 에 대한 해석결과로 부터 각 lamina들의 응력분포도 구하였다. 접촉응력의 분포는 그 재료의 성질에 많은 영향을 받고 있음을 알수 있었으며 이방성이 큰 재료일수록 응력집중 계수와 그 응력의 구배는 크게 나타났다. 판재의 hole boundary 에 따른 radial stress 의 분포는 직교 이방성 재료인 경우, bolted joint 를 해석할때 자주 가정하는 cosine load distribution 과는 상당한 차이를 보였고 최대응련 발생기점도 재료의 성질과 기하학적 형상에 따라 넓은 범위에 분포되고 있었다. Tangential stress 의 경우 판재가 $[\pm 45\,^\circ]_s$ laminate 일때 최대접선응력은 판재의 최소단면이 아닌 다른 부분에서 발생하였고 오히려 최소단면 부근에서 relative minimum 이 존재하는 것을 관찰하였다. 끝으로 본 논문에서는 각 lamina 들의 응력분포도 구하였으므로 적절한 failure criterion 을 도입하므로서 joint 부위의 strength도 예측할 수 있을 것이다.