ACP를 사용한 복합재료 해석 방법

복합재료(composite materials)란 두 종류 이상의 소재를 복합화한 재료를 말하지만, 개념적으로는 두 종류 이상의 소재를 복합화한 후에 물리적화학적으로 각각의 소재가 원래의 상을 유지하면서 원래의 소재보다 우수한 성능을 갖도록 한 재료를 말한다. 이번 호에서는 이러한 특성을 지닌 복합재료가 ACP(ANSYS Composite PrepPost)를 사용하여 어떻게 모델링되고, 어떠한 결과들을 확인할 수 있는지 그 방법에 대해 소개하고자 한다.

■ 조선영 | 태성에스엔이의 차장으로 항공/방산 분야에서 재료/피로/열 분야의 기술 지원 및 교육, 프로젝트 진행 업무를 담당하고 있다.
이메일 | sycho@tsne.co.kr
홈페이지 | www.tsne.co.kr

1. 복합재료의 소개
복합재료를 이해하려면 시골에서 볏짚이나 대나무를 넣고 바른 흙담을 생각하면 된다. 흙벽을 볏짚이 보강해주는 구조다. 이처럼 복합재료는 기존의 재료에서 기대할 수 없는 우수한 특성을 가지고 있는데, 그 중 가장 특별한 것이 재료의 이방성과 그에 따른 설계의 유연성이라고 할 수 있다.

(1) 복합재료의 성질
보통의 금속재료는 재료의 방향에 관계없이 그 성질이 일정한 등방성이 대부분이다. 이에 비해, 복합재료는 기지재료에 높은 강도를 갖는 보강 섬유를 하중이 걸리는 방향으로 배열하여 사용 조건에 따라 효과적으로 재료를 설계할 수 있다.
복합재료는 다음과 같은 특성들을 가지고 있다.

■ 단일 금속재에 비해 높은 비강도/비강성 지님
■ 우수한 피로 특성
■ 낮은 열팽창계수 특성으로 고온/저온에서 동시 사용 가능

(2) 복합재료의 응용 분야 및 종류
복합재료는 1960년대 이후 본격적으로 개발되기 시작한 신소재로 항공 우주, 자동차, 선박, 방위산업 제품, 스포츠 용품 및 건설 자재 등 다양한 분야에서 사용되고 있다. 복합재료는 비교적 값이 싼 유리섬유로 시작하여 탄소섬유나 붕소 섬유와 같은 다양한 고강도 섬유로 보강된 플라스틱이 개발되어 비행기, 미사일 동체, 테니스 라켓, 골프채 등 광범위하게 사용되고 있다.
 

그림 1. 복합재료를 적용한 분야  

복합재료는 기지재료에 사용되는 강화 재료에 따라 크게 입자 강화 복합재료와 섬유 강화 복합재료의 두 가지로 분류된다.
입자 강화 복합재료는 작은 입자의 강화재료가 균일하게 분포되어 있는 재료이고, 섬유 강화 복합재료는 섬유가 강화 재료로 사용된다. 이 중 섬유 강화 복합재료는 짧은 섬유 강화 복합재료와 긴 섬유 강화 복합재료로 나뉘는데, ACP(ANSYS Composite PrepPost)는 긴 섬유 강화 복합재료를 고려하여 해석을 수행한다.