KR101200167B1

KR101200167B1 - 복합재 구조 분석 시스템과 분석방법

Info

Publication number: KR101200167B1
Application number: KR1020110003414A
Authority: KR
Inventors: 이명수
Original assignee: 한국항공우주산업 주식회사
Priority date: 2011-01-13
Filing date: 2011-01-13
Publication date: 2012-11-13
Also published as: KR20120082112A

Abstract

본 발명은 복합 구조 분석시스템에 관한 것으로, 더 상세하게는 복합재 해석에 대한 방법들을 프로그램화 하여 필요로 하는 산업분야에 따라 복합재 구조해석이 쉽게 가능하도록 한 복합재 구조 분석 시스템에 관한 것이다.
Patran/Nastran 프로그램을 이용하여 복합재를 해석하기 위해서는 라미네이트 모델러(Laminate Modeler)와 같은 별도의 해석 모듈(module)을 구비해야 하며, 모듈이 갖추어져 있다고 하더라도 경험이 많지 않은 해석자의 경우, 해석결과가 정확한지, 자신의 해석수행이 올바로 되어 가는지 등을 확인하는데 어려움이 있다. 또한 복합재 뿐만 아니라 일반 금속 재질 또한 상세유한요소만으로 모든 구조 응력해석을 수행할 수도 없으며, 수행한다고 해도 그 해석에 걸리는 시간은 오래 걸리게 된다.
본 발명은 복합재 구조해석에 대한 초보 엔지니어라도 손쉽게 복합재 구조해석이 가능 하도록 간단한 기본 값의 입력만으로 복합재 구조해석이 가능하도록 하며, 결과의 오류를 최소화기 위한 사용자 인터페이스(user interface)를 설계하도록 하고, 복합재 해석에 대한 일반적으로 사용되는 해석방법들에 대한 정보를 구축하여 프로그램화 설계하여 산업분야와 상관없이 복합재 구조해석에 적용될 수 있도록 한 복합재 구조 분석 시스템과 분석방법을 제공하고자 한다.

Description

복합재 구조 분석 시스템과 분석방법{ANALYSIS SYSTEM AND METHOD FOR COMPOSITE MATERIALS}

본 발명은 복합 구조 분석시스템에 관한 것으로, 더 상세하게는 복합재 해석에 대한 방법들을 프로그램화 하여 필요로 하는 산업분야에 따라 복합재 구조해석이 쉽게 가능하도록 한 복합재 구조 분석 시스템에 관한 것이다.

복합재료(Composite material)는 두 가지 이상의 재료가 조합되어 물리적·화학적으로 서로 다른 상(phase)을 형성하면서 보다 유효한 기능을 발현하는 재료를 말한다.

복합재료의 장점이라면 매트릭스(matrix)와 보강재(reinforce)로 이루어지는 것으로 매트릭스 자체의 물성이 좋지 않은 것을 보강재를 보강하여 물성을 뛰어나게 해주는 것이라 할 수 있으며, 강화재의 구조에 따라 섬유강화 복합재료(fibrous composite), 입자강화 복합재료(particulate composite)로 구분되고 강화하는 재료(matrix:기지재료)에 따라 고분자복합재료(polymer matrix composite), 금속복합재료(metal matrix composite), 세라믹복합재료(ceramic matrix composite)로 나누어 질 수 있다.

이와 같은 복합재료는 낚싯대, 골프채, 스키와 같은 생활용품으로부터 자동차 내장재, 항공분야 등의 모든 산업분야에서 활용되고 있다.

한편, 하중을 받는 구조물은 그 하중에 대해 견딜 수 있는 지를 해석적으로 평가하고 시험을 통해 일반적으로 검증하게 되는 바, 금속재료에 대한 해석 기법 및 검증 방법은 널리 알려져 있으며 해석방법도 비교적 간단한 반면, 복합재 해석 방법은 복잡하고, 재료가 이방성을 갖기 때문에 이론식 또한 복잡하다.

종래의 항공기의 복합재 해석 방법은 선진항공사에서 제공된 데이터를 이용하여 제한적으로 항공기 스킨과 같은 평면형상의 구조해석을 수행하고 있다.

특히 복합재 적층의 등가된 모듈러스(Modulus)와 같은 해석에 기본적인 데이터도 한 가지 재료에 대해 한 가지 적층패턴에 대한 데이터만 보유하고 있는 상태이므로 해석 수행에 어려움이 있다.

따라서, 복합재를 해석하기 위한 해석 엔지니어는 복합재 구조해석 수행을 위해 복합재 해석이론에 근거한 데이터를 생성해서 개별적으로 사용하고 있는 실정이며, 그에 따라 엔지니어간에 결과 불일치, 데이터의 부정확성, 많은 해석 시간 소요, 반복적인 작업 수행 등의 어려움을 겪고 있다.

현재 가장 많이 사용하고 있는 복합재 해석 방법으로는, Patran/Nastran 과 같은 상용 프로그램을 활용해서 수행하고 있다.

Patran/Nastran 은 모든 산업분야의 구조물 및 부품 등의 강도를 분석하기 위한 구조해석(FEM) 전용프로그램이다.

이와 같은 Patran/Nastran 프로그램을 이용하여 복합재를 해석하기 위해서는 라미네이트 모델러(Laminate Modeler)와 같은 별도의 해석 모듈(module)을 구비해야하며, 모듈이 갖추어져 있다고 하더라도 경험이 많지 않은 해석자의 경우, 해석결과가 정확한지, 자신의 해석수행이 올바로 되어 가는지 등을 확인하는데 어려움이 있다.

복합재 뿐만 아니라 일반 금속 재질 또한 상세유한요소만으로 모든 구조 응력해석을 수행할 수도 없으며, 수행한다고 해도 그 해석에 걸리는 시간은 오래 걸리게 된다.

본 발명은 복합재 구조해석에 대한 초보 엔지니어라도 손쉽게 복합재 구조해석이 가능 하도록 간단한 기본 값의 입력만으로 복합재 구조해석이 가능하도록 하며, 결과의 오류를 최소화기 위한 사용자 인터페이스(user interface)를 설계하도록 하고, 복합재 해석에 대한 일반적으로 사용되는 해석방법들에 대한 정보를 구축하여 프로그램화 설계하여 산업분야와 상관없이 복합재 구조해석에 적용될 수 있도록 한 복합재 구조 분석 시스템과 분석방법을 제공하고자 한 것이다.

본 발명 복합재 구조 분석 시스템은,

레이업 입력, 물질선택, 물성치입력, 적층강도를 포함하는 사용자 입력 데이터를 입력받기 위한 프로세스를 제공하는 사용자 입력모듈(100)과,

라미나에 대한 데이터(lamina allowable data)가 관리되는 라미나 데이터(lamina data)부와, 레이업 형상정보(layup pattern)가 등록되는 레이업 패턴(layup pattern)부와, 물질의 형상정보가 저장 관리되는 형상정보부(geometry dimension)를 포함하는 정보관리모듈과,

입력된 레이업 시퀀스에 대하여 등가된 x, y 방향의 모듈러스(Modulus)와 푸아송비(Poisson's Ratio)를 구하고 이를 반복해서 적층 퍼센트(%)에 따른 등가된 모듈러스와 Poisson's Ratio를 구하기 위한 ABD's 매트릭스 모듈(Matrix Module)과,

강도분석(Strength Analysis), 안정성분석(Stability Analysis), 손실허용분석(Damage Tolerance Analysis)을 수행하기 위한 해석원리 프로세스 정보를 제공하기 위한 모듈을 포함하는 파손모드해석부를 포함하여 구성되는 해석원리 및 그 해석 프로세스를 제공하는 해석원리모듈부와,

모듈러스 카펫플롯을 작성을 수행하기 위한 카펫플롯모듈과,

매크로 기법이 적용되어 복합재의 구조해석을 위한 정해진 순서, 방법에 따라서 상기 각 모듈에 대한 실행제어를 수행하기 위한 실행제어모듈을,

포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

그리고, 이와 같은 본 발명 시스템에서 이루어지는 복합재 구조 분석방법은,

복합재 구조 해석대상 물질(maerial)선택 및 레이업 시퀀스, 물성치, 적층강도를 포함하는 복합재 해석대상 물질 사용자 정보를 입력프로세스를 제공하여 사용자로부터 입력되는 사용자 정보를 입력받는 사용자 정보입력과정과,

사용자가 선택한 복합재 구조 해석 모드를 판단하고, 선택한 해석모드에 해당하는 해석원리모듈을 선택하는 구조해석모드결정과정과,

복합재 구조해석이 실행 선택되면, 변환축소강성행렬과 정보관리모듈에서 제공하는 적층 두께의 형상정보에 따라서 ABD's 매트릭스를 통해 ABD강성행렬을 계산해서 등가된 모듈러스와 푸아송비를 사용자에게 제공하는 과정과,

상기 선택된 해석원리모듈의 해석 프로세스에 따라서 ABD's 매트릭스의 수행결과와 조합하여 구조 해석대상의 해석결과를 얻는 구조분석과정과,

상기 해석결과를 플로팅하여 사용자에게 제공하는 모듈러스 카펫플로팅과정으로 이루어지며, 구조해석모드결정과정에서 선택된 모드가 등가모듈러스 및 언노치 라미네이트 강도해석모드인 경우 구조분석과정은, First Ply Failure을 적층된 복합재 구조의 파손으로 가정하고 가장 일반적으로 이용되고 있는 Maximum Strain 파손식 이외에 Maximum Stress, Tsai-Wu, Tsai-Hill, Hoffman등의 파손이론식을 사용자에게 어느 하나를 선택하도록 하는 파손이론식 선택과정과,

일정한 두께에 대해서 초기 하중 100 lb을 X방향(Nxx)으로 준 후 안전율(M.S ; Margin of Safety)을 계산하는 과정과,

계산된 안전율을 정해진 조건(M.S > 0 조건)과 비교하여 일정한 조건(M.S = 0)이 될 때까지 하중을 일정한 값(100 lbs)씩 증가시키면서 안전율을 계산하고, 일정한 조건(M.S = 0)을 만족하는 하중에 대하여 초기 설정한 두께로 나누어 X 방향의 허용치(Allowable)를 얻는 허용치 정보 계산과정과,

상기 안전율 계산과정과, 허용치 정보 계산과정을 Y와 XY 방향에 대해서 동일하게 반복 진행하여 허용치정보를 얻는 허용치 정보 계산과정과,

상기 과정을 통하여 계산된 X, Y, XY 방향의 언노치드 라미네이트 강도(Unnotched Laminate Strength)를 상기 파손이론식 선택과정에서 선택한 파손이론으로 플로팅하여 결과를 얻도록 하는 플로팅과정을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명은, 프로그램을 사용하는 사람이 누구든지 기본적인 데이터만 입력하면 해석 결과가 해석 보고서 형태로 출력되도록 하였으며, 적층의 패턴을 바꾸면서 구조의 강성 및 강도를 바로 확인할 수 있으며, 적층된 등가의 모듈러스를 어떤 각도의 조합에 상관없이 모든 재료에 대해 확인 할 수 있도록 프로그램화 되어 있고, 특히, Patran과 같은 상용 프로그램에서 수행하기 힘든 단면해석, 샌드위치 구조해석, crippling 해석, bonding 해석등과 같이 복잡한 해석식이 필요한 해석을 프로그램화 하여 누가 해석을 수행하여도 같은 결과가 나오도록 process를 정립하여 초보 엔지니어도 복합재의 구조 분석을 용이하게 작업할 수 있다.

또한 프로그램을 구성함에 있어서, 일반적으로 익숙한 프로그램인 MS Excel으로 구성함으로써, 손쉽게 이용가능하며, 반복된 작업을 효과적으로 줄여줄 수 있게 된다.

도 1은 본 발명 복합재 구조 분석 시스템의 구성을 나타낸 블록도.
도 2는 본 발명 시스템에 있어서, 등가모듈러스 및 언노치 라미네이트 강도해석(Unnotched Laminate Strength) 모드의 동작과정을 챠트로 나타낸 도면.
도 3은 도 2의 등가모듈러스 및 언노치 라미네이트 강도해석(Unnotched Laminate Strength) 플로팅결과를 나타낸 일 실시 예이다.

본 발명 복합재 구조 분석 시스템을 첨부된 도면 도 1 및 도 3에 도시된 실시 예를 참조하여 그 구성 및 작용을 설명하면 다음과 같다.

라미나에 대한 데이터(lamina allowble data)가 관리되는 라미나 데이터(lamina data)부(210)와, 레이업 형상정보(layup pattern가 등록되는 레이업 패턴(layup pattern)부(220)와, 물질의 형상정보가 저장 관리되는 형상정보부(geometry dimension)(230)를 포함하는 정보관리모듈(200)과,

입력된 레이업 시퀀스에 대하여 등가된 x, y 방향의 모듈러스(Modulus)와 푸아송비(Poisson's Ratio)를 구하고 이를 반복해서 적층 퍼센트(%)에 따른 등가된 모듈러스와 Poisson's Ratio를 구하기 위한 ABD's 매트릭스 모듈(Matrix Module)(300)과,

강도분석, 안정성분석, 손실허용분석을 수행하기 위한 해석원리 프로세스 정보를 제공하기 위한 모듈을 포함하는 파손모드해석부(410), 각각의 적층 퍼센트(Percent)에 따른 라미네이트(Laminate)의 등가 된 값을 구하기 위한 해석원리 프로세스 정보를 제공하는 등가 모듈러스(Laminate Effective Modulus) 생성모듈(421) 및 언노치 라미네이트 강도(Unnotched Laminate Strength) 해석 모듈(422)을 포함하는 등가모듈러스 및 언노치 라미네이트 강도해석부(420)를 포함하여 구성되는 해석원리 및 그 해석 프로세스를 제공하는 해석원리모듈부(400)와,

모듈러스 카펫플롯을 작성을 수행하기 위한 카펫플롯모듈(500)과,

매크로 기법이 적용되어 복합재의 구조해석을 위한 정해진 순서, 방법에 따라서 상기 각 모듈에 대한 실행제어를 수행하기 위한 VBA(Visual Basic Application) 실행제어모듈(600)과,

등가 모듈러스 및 언노치 라미네이트 강도해석부로부터 안전율을 계산하기 위한 안전율 연산부(710)와, 안전율 연산부(710)로 부터 연산된 안전율과 대비하여 안전율 값을 기준으로 복합재 구조해석에 필요한 하중 값을 결정하여 입력데이터에 제공하는 하중 값 입력 데이터 제어부(720)를 포함하는 하중값 제어모듈(700)을,

포함하여 구성되며,

상기 파손모드해석부(410)는 강도분석(Strength Analysis)을 위한 First Ply Failure모듈(411), Section-Cut Analysis모듈(412), Sandwich Analysis모듈(413)과, 안정성 분석(Stability Analysis)을 위한 Crippling모듈(414), Buckling 모듈(415)과, 손실 허용 분석(Damage Tolerance Analysis)을 위한 Open Hole Strength 모듈(416), Bearing/Bypass Analysis 모듈(417)을 포함하여 구성된다.

이와 같은 본 발명은 복합재의 구조해석원리를 각 모듈화하여 구성하고, 매크로 기법이 적용되어 복합재의 구조해석을 위한 VBA 실행제어를 통하여 각 모듈에 대한 실행제어를 수행하기 위한 VBA(Visual Basic Application)를 통하여 사용자의 간단한 입력 값을 통하여 구조해석 보고서 작성이 가능하도록 한 것으로,

사용자 입력 모듈(100)은 레이업 시퀀스 입력, 구조해석을 위한 물질선택, 물성치입력, 적층 강도를 포함하는 사용자 입력 데이터를 입력 받기 위한 프로세스를 제공하기 위한 수단으로,

사용자의 편의 및 실행오류를 최대한 줄이기 위하여 사용자가 필요로 하는 정보를 취득하기 위한 대상의 위치에서 선택실행수단을 화면상에 제공하도록 하여 사용자가 편의성 및 실행 오류를 최대한 줄이도록 사용자 인터페이스(User Interface)가 설계 된다.

정보관리모듈(200)은 해석대상인 복합재에 대한 정보들을 저장관리하기 위한 수단으로, 라미나 데이터부(210), 레이업패턴부(220), 형상정보부(230)를 포함한다.

라미나 데이터부(210)는 라미나 허용치 데이터(lamina allowable data)가 저장 관리되고, 레이업 패턴부(220)는 레이업의 패턴정보(layup pattern)가 저장관리 되고, 형상정보부(geometry dimension)(230)는 물질의 형상정보가 저장관리 된다.

ABD'S 매트릭스 모듈(300)은 사용자의 입력 레이업 시퀀스에 대하여 x, y 방향의 모듈러스(Modulus)와 푸아송비(Poisson's Ratio)를 구하고 이를 반복해서 적층 %에 따른 등가된 모듈러스와 푸아송비(Poisson's Ratio)를 구하기 위한 수단이다.

해석원리모듈부(400)는 파손모드해석과 등가 Modulus 및 Unnotched Laminate Strength를 생성할 수 있는 모듈로 구성되는 것으로,

복합재 파손모드 해석방법으로는 강도(Strength), 안정성(Stability), 손실허용분석(Damage Tolerance Analysis)로 나눌 수 있는 바,

따라서 본 발명 실시 예에서 파손모드해석부(410)를 강도분석(Strength Analysis)을 위하여 First Ply Failure모듈(411), Section-Cut Analysis모듈(412), Sandwich Analysis모듈(413)를 포함하는 3개의 모듈들로 구성하고, 안정성 분석(Stability Analysis)을 위하여 Crippling모듈(414), Buckling 모듈(415)을 포함하는 2개의 모듈로 구성하고, 손실 허용 분석(Damage Tolerance Analysis)을 위하여 Open Hole Strength 모듈(416), Bearing/Bypass Analysis 모듈(417)을 포함하여 2개의 모듈들로 구성한다.

등가 Modulus 및 Unnotched Laminate Strength를 생성할 수 있는 등가모듈러스 및 언노치 라미네이트 강도해석부(420)는 등가 모듈러스(Laminate Effective Modulus) 생성모듈(421) 및 언노치 라미네이트 강도(Unnotched Laminate Strength) 해석 모듈(422)를 포함하여 구성된다.

등가 모듈러스 및 언노치 라미네이트 강도해석부(420)는 각각의 적층 퍼센트에 따른 라미네이이트의 등가된 값을 구하도록 코드화 되어 있다.

파손모드해석부(410)의 강도분석을 위한 First Ply Failure모듈(411)의 해석 원리는, 사용자가 입력한 FEM에서 구한 내부하중(lb/in)을 상기 계산된 ABD's 매트릭스모듈(300)와의 조합으로 해석 대상물의 중립면에서의 토탈(Total) 변형률과 곡률(Curvature)이 계산된다.

이렇게 계산된 값들은 두께방향의 각 겹(Ply) 별로 Principal Material Axes 방향으로 스트레인(strain)이 재 계산 되며, 라미나(lamina)의 물성치와 비교함으로써 강도계산을 하게 된다.

Section-Cut모듈 및 Sandwich Strength 모듈(412)의 해석원리는, 일반 금속재 해석과 유사하며 적층된 형태의 등가 모듈러스를 계산하기 위해 ABD's 매트릭스모듈(300)를 다시 실행시켜 수행한다.

파손모드해석부(410)의 안정성을 분석하기 위한 Crippling 및 Buckling instability 해석원리는, 기본적으로 상기 강도해석 과정과 동일하며 Mil-HDBK 17의 해석 과정(Process)을 이용하여 값이 계산되도록 구현된다.

파손모드해석부(410)의 손실허용분석(DaDT)은 Open Hole Strength 분석과 Bearing/Bypass 분석으로 나눌 수 있으며, Open Hole Strength 모듈(416)은 사용자가 입력한 내부하중에 따라서 최대최소(Maximum/Minimum) 주요 스트레인(Principal Strain)이 계산되며 라미나의 Open Hole 인장/압축 강도(strength)와 비교함으로써 강도 계산을 하도록 구성 된다.

Bearing/Bypass 모듈(417)은 사용자에게 해석하고자 원하는 Fastener 영역의 형상에 대한 Lay-up Sequence와 Bearing과 Bypass하중(Design Point)을 계산해서 입력하도록 요청하고, 이와 같이 사용자가 입력하면 시험을 통해 구해진 Bearing Bypass Envelope가 그려지고 "0" 점에서 Design point 직선으로 연결된 선의 연장선과 Envelope의 교차하는 점을 찾아서 Allowable Point를 자동으로 계산하고, 이렇게 결정된 Point를 비례식으로 계산하여 Bearing/Bypass 해석 결과를 얻게 된다.

복합재 구조물의 경우, Open Hole Strength을 이용해서 해석해야 하는 영역이 있는 반면, Unnotched Laminate Strength를 이용해서 해석해야 하는 영역도 존재하므로 구조 건전성 평가를 위해서는 laminate의 허용치가 필요하다.

등가모듈러스 및 언노치 라미네이트 강도해석부(Unnotched Laminate Strength)(420)의 해석원리는, First Ply Failure 기준으로 Maximum Strain/Stress, Tsai-Wu, Tsai-Hill, Hoffman 등의 파손이론식을 적용하여 Allowable을 생성하도록 구성된다.

First Ply Failure 해석을 반복적으로 수행하는 방법으로 코딩이 되어 있다.

일정한 두께에 대해서 초기 하중 100 lb를 Nxx 준 후 안전율(M.S ; Margin of Safety)을 계산하고, M.S > 0 조건이면 하중을 다시 100 lbs씩 증가하여 M.S = 0이 되는 하중을 찾게 되고, 이렇게 계산된 하중에 처음 설정한 두께를 나누게 되면 X 방향의 허용치(Allowable)를 얻게 된다.

이와 같이 X 방향의 허용치를 획득한 후, Y와 XY 방향에 대해서도 동일하게 수행하여, 각각의 허용치를 계산한다.

이렇게 계산된 X, Y, XY 방향의 언노치드 라미네이트 강도(Unnotched Laminate Strength)를 Maximum Strain Failure Theory의 파손 이론으로 플로팅하여 결과를 얻도록 그 프로세스를 제공하도록 이루어진다.

카펫플롯모듈(500)은 상기 모듈을 통한 복합재 구조해석에 대한 모듈러스 카펫플롯을 작성할 수 있도록 하기 위한 수단으로 각 해석원리모듈부(400)에 대한 복합재 구조해석에 대한 보고서 포맷을 제공한다.

VBA(Visual Basic Application) 실행제어모듈(600)은 매크로 기법이 적용되어 복합재의 구조해석을 위한 정해진 순서, 방법에 따라서 상기 각 모듈에 대한 실행제어를 수행하기 위한 수단이다.

하중값 제어모듈(700)은 등가 모듈러스 및 언노치 라미네이트 강도해석부(420)로부터 안전율을 계산하고 그 계산된 결과에 따라 하중 값의 스케일을 사이징(sizing) 하기 위한 수단으로, 안전율 연산부(710)와 하중 값 입력데이터 제어부(720)를 포함하여 구성된다.

이와 같이 본 발명의 실시예는 복합재 구조해석을 위한 원리정보 및 프로세스를 제공하는 각 모듈로 이루어진 해석원리모듈로 구성되며, 모듈러스 카펫플롯모듈을 통하여 각 모듈의 보고서 포맷을 제공하는 구성을 갖는다.

이와 같은 본 발명의 복합재 구조해석에 대한 동작과정을 설명하면 다음과 같다.

사용자가 복합재 구조 해석대상 물질(material)선택 및 레이업 시퀀스, 물성치, 적층강도를 포함하는 복합재 해석대상 물질 사용자 정보를 입력하고, 복합재 구조해석 모드를 선택하여 복합재 구조해석을 실행하게 되면,

먼저, VBA 실행제어모듈(600)에서는 정보관리모듈(200)에서 제공하는 적층 두께의 형상정보에 따라서 ABD's 매트릭스모듈(300)를 통해 ABD강성행렬을 계산해서 등가된 모듈러스와 푸아송비를 사용자에게 제공하게 된다.

이후, 상기 선택된 해석원리모듈부(400)의 해석 프로세스에 따라서 ABD's 매트릭스 모듈(300)의 수행결과와 조합하여 구조 해석대상의 분석과정을 수행하게 된다.

이와 같이 분석이 완료되면, 카펫플로팅모듈(500)에서 모듈러스 카펫플로팅과정을 수행하여 정해진 보고서 포맷에 맞추어 사용자에게 분석결과를 제공하게 된다.

한편, 사용자가 등가모듈러스 및 언노치 라미네이트 강도해석(Unnotched Laminate Strength) 모드를 선택하면, First Ply Failure 기준으로 Maximum Strain/Stress, Tsai-Wu, Tsai-Hill, Hoffman 의 파손이론식을 추가로 사용자에게 제공하여 사용자에게 제공하도록 한다.

이후, 일정한 두께에 대해서 초기 하중 100 lb을 X방향(Nxx )으로 준 후 안전율(M.S ; Margin of Safety)을 계산한다.

계산된 안전율을 정해진 조건(M.S > 0 조건)과 비교하여 일정한 조건(M.S = 0)이 될 때까지 하중을 일정한 값(100 lbs)씩 증가시키면서 안전율을 계산하고, 일정한 조건(M.S = 0)을 만족하는 하중에 대하여 초기 설정한 두께를 나누어 X 방향의 허용치(Allowable)를 얻는다.

Y방향(Nyy), YZ방향(Nxy)에 대하여서도 상기와 같이 안전율을 계산하고 허용치를 계산해낸다.

상기 안전율 계산과정과, 허용치 정보 계산과정을 Y와 XY 방향에 대해서 동일하게 반복 진행하여 허용치정보를 계산한다.

상기 과정을 통하여 계산된 X, Y, XY 방향의 언노치드 라미네이트 강도(Unnotched Laminate Strength)를 상기 파손이론선택과정에서 선택한 파손이론으로 플로팅하여 결과를 얻도록 한다.

도 3은 플로팅결과를 나타낸 도면이다.

도 2는 이러한 사용자가 등가모듈러스 및 언노치 라미네이트 강도해석(Unnotched Laminate Strength) 모드의 동작과정을 챠트로 나타낸 도면이다.

모든 모듈은 ABD's 매트릭스 모듈(300)을 거쳐 실행되며. 사용자 입력모듈(100)을 통해 입력된 레이업 시퀀스에 대하여 매트릭스가 자동 계산되고, 그 결과로서 등가된 x, y 방향은 모듈러스와 푸아송비(Poisson's Ratio)를 사용자에게 제공한다.

복합재 구조의 해석을 위해서는 소재의 물성치가 필요하며 복합재 한 장을 라미나(lamina)라 부르고, 적층된 형태의 두께를 라미네이트(laminate)라 하는 바, 라미나(lamina)의 물성치는 제공 업체로부터 받게 되고, Orthotropic lamina의 경우 축소강성행렬을 구하게 된다.

해석하고자 하는 파트의 적층각도를 입력한 후 복합재 구조해석을 실행하게 되면, 정보관리모듈(200)에서 제공하는 적층 두께의 형상정보에 의해 ABD 강성행렬을 계산해서 등가된 모듈러스와 푸아송비(Poisson's Ratio)를 사용자에게 제공한다.

이와 같은 작업을 반복해서 실행하게 되면 [0/45/90] 적층 %에 따른 등가된 모듈러스 와 푸아송비(Poisson's Ratio)를 구하게 되며, 0% ~ 100%까지 테이블(Table)의 형태로 값을 나타낼 수 있다.

이와 같은 복합재 구조과정을 다음과 같이 나타낼 수 있다.

상기 해석결과를 플로팅하여 사용자에게 제공하는 모듈러스 카펫플로팅과정으로 이루어진다.

구조분석과정에 있어서, 등가모듈러스 및 언노치 라미네이트 강도해석(Unnotched Laminate Strength)의 해석은 다음과 같은 제어과정으로 이루어진다.

등가모듈러스 및 언노치 라미네이트 강도해석 모드를 선택하면, First Ply Failure 기준으로 추가된 Maximum Strain/Stress, Tsai-Wu, Tsai-Hill, Hoffman 의 파손이론식에서 사용자에게 어느 하나를 선택하도록 하는 파손이론식 선택과정과,

계산된 안전율을 정해진 조건(M.S > 0 조건)과 비교하여 일정한 조건(M.S = 0)이 될 때까지 하중을 일정한 값(100 lbs)씩 증가시키면서 안전율을 계산하고, 일정한 조건(M.S = 0)을 만족하는 하중에 대하여 초기 설정한 두께를 나누어 X 방향의 허용치(Allowable)를 얻는 허용치 정보 계산과정과,

상기 안전율 계산과정과, 허용치 정보 계산과정을 Y와 XY 방향에 대해서 동일하게 반복진행하여 허용치정보를 얻는 허용치 정보 계산과정과,

상기 과정을 통하여 계산된 X, Y, XY 방향의 언노치드 라미네이트 강도(Unnotched Laminate Strength)를 상기 파손이론선택과정에서 선택한 파손이론으로 플로팅하여 결과를 얻도록 하는 플로팅과정으로 이루어진다.

Claims

레이업 입력, 물질선택, 물성치입력, 적층강도를 포함하는 사용자 입력 데이터를 입력받기 위한 프로세스를 제공하는 사용자 입력모듈(100)과,
라미나에 대한 데이터(lamina allowble data)가 관리되는 라미나 데이터(lamina data)부와, 레이업 형상정보(layup pattern)가 등록되는 레이업 패턴(layup pattern)부와, 물질의 형상정보가 저장 관리되는 형상정보부(geometry dimension)를 포함하는 정보관리모듈과,
입력된 레이업 시퀀스에 대하여 등가된 x, y 방향의 모듈러스(Modulus)와 푸아송비(Poisson's Ratio)를 구하고 이를 반복해서 적층 퍼센트(%)에 따른 등가된 모듈러스와 Poisson's Ratio를 구하기 위한 ABD's 매트릭스 모듈(Matrix Module)과,
강도분석(Strength Analysis), 안정성분석(Stability Analysis), 손실허용분석(Damage Tolerance Analysis)을 수행하기 위한 해석원리 프로세스 정보를 제공하기 위한 모듈을 포함하는 파손모드해석부를 포함하여 구성되는 해석원리 및 그 해석 프로세스를 제공하는 해석원리모듈부와,
모듈러스 카펫플롯을 작성을 수행하기 위한 카펫플롯모듈과,
매크로 기법이 적용되어 복합재의 구조해석을 위한 정해진 순서, 방법에 따라서 상기 각 모듈에 대한 실행제어를 수행하기 위한 실행제어모듈을,
포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 복합재 구조 분석 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 파손모드해석부는 강도분석(Strength Analysis)을 위한 First Ply Failure모듈, Section-Cut Analysis모듈, Sandwich Analysis모듈과, 안정성 분석(Stability Analysis)을 위한 Crippling모듈, Buckling 모듈과, 손실 허용 분석(Damage Tolerance Analysis)을 위한 Open Hole Strength 모듈, Bearing/Bypass Analysis 모듈을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 복합재 구조분석 시스템.
제 1항 또는 제 2항에 있어서, 해석원리모듈부는,
각각의 적층 퍼센트(Percent)에 따른 라미네이트(Laminate)의 등가 된 값을 구하기 위한 해석원리 프로세스 정보를 제공하는 등가 모듈러스(Laminate Effective Modulus) 생성모듈 및 언노치 라미네이트 강도(Unnotched Laminate Strength) 해석 모듈을 포함하는 등가모듈러스 및 언노치 라미네이트 강도해석부를 더 포함하여 구성되고,
등가 모듈러스 및 언노치 라미네이트 강도해석부로부터 안전율을 계산하기 위한 안전율 연산부와, 안전율 연산부로 부터 연산된 안전율과 대비하여 안전율 값을 기준으로 복합재 구조해석에 필요한 하중 값을 결정하여 입력데이터에 제공하는 하중 값 입력 데이터 제어부를 포함하는 하중값 제어모듈을 ,
더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 복합재 구조 분석 시스템.
복합재 구조 해석대상 물질(material)선택 및 레이업 시퀀스, 물성치, 적층강도를 포함하는 복합재 해석대상 물질 사용자 정보를 입력프로세스를 제공하여 사용자로부터 입력되는 사용자 정보를 입력받는 사용자 정보입력과정과,
사용자가 선택한 복합재 구조 해석 모드를 판단하고, 선택한 해석모드에 해당하는 해석원리모듈을 선택하는 구조해석모드결정과정과,
복합재 구조해석이 실행 선택되면, 변환축소강성행렬과 정보관리모듈에서 제공하는 적층 두께의 형상정보에 따라서 ABD's 매트릭스를 통해 ABD강성행렬을 계산해서 등가된 모듈러스와 푸아송비를 사용자에게 제공하는 과정과,
상기 선택된 해석원리모듈의 해석 프로세스에 따라서 ABD's 매트릭스의 수행결과와 조합하여 구조 해석대상의 해석결과를 얻는 구조분석과정과,
상기 해석결과를 플로팅하여 사용자에게 제공하는 모듈러스 카펫플로팅과정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합재 구조 분석 방법.
제 4항에 있어서, 구조해석모드결정과정에서 선택된 모드가 등가모듈러스 및 언노치 라미네이트 강도해석모드인 경우 구조분석과정은, First Ply Failure 기준으로 Maximum Strain/Stress, Tsai-Wu, Tsai-Hill, Hoffman 의 파손이론식에서 사용자에게 어느 하나를 선택하도록 하는 파손이론식 선택과정과,
일정한 두께에 대해서 초기 하중 100 lb을 X방향(Nxx)으로 준 후 안전율(M.S ; Margin of Safety)을 계산하는 과정과,
계산된 안전율을 정해진 조건(M.S > 0 조건)과 비교하여 일정한 조건(M.S = 0)이 될 때까지 하중을 일정한 값(100 lbs)씩 증가시키면서 안전율을 계산하고, 일정한 조건(M.S = 0)을 만족하는 하중에 대하여 초기 설정한 두께를 나누어 X 방향의 허용치(Allowable)를 얻는 허용치 정보 계산과정과,
상기 안전율 계산과정과, 허용치 정보 계산과정을 Y와 XY 방향에 대해서 동일하게 반복 진행하여 허용치정보를 얻는 허용치 정보 계산과정과,
상기 과정을 통하여 계산된 X, Y, XY 방향의 언노치드 라미네이트 강도(Unnotched Laminate Strength)를 상기 파손이론식 선택과정에서 선택한 파손이론으로 플로팅하여 결과를 얻도록 하는 플로팅과정을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합재 구조 분석 방법
제 4 항 또는 제 5 항에서와 같은 과정을 컴퓨터로 수행할 수 있는 복합재 구조해석 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.