모델링

 위 두개의 T형 joint에 대한 3D 모델이 LUSAS Composite으로 만들어졌으며 종방향, 횡 방향, 경사방향의 하중 케이스가 각 모델에 적용되었다. 종방향의 하중 케이스에서는 구조가 대칭이므로 정의되기 위해 단지 반쪽 모델만이 필요했다. LUSAS에서 개별적 적층판(laminate)플라이의 모델링이 가능하지만, NPL은 사내 CoDA software로부터 얻어진 특성들과 함께 비등방성의 솔리드 재료 모델을 이용하는 GRP 레이어의 전체계 모델링 수행으로 모델을 단순화하기로 결정했다. 비선형 재료 모델이 알루미늄 T형 joint에 이용되었고, 볼트의 죄는 힘을 모델링에 반영하기 위해 해석하고자 하는 하중을 재하하기 전에 프리스트레스 하중을 먼저 적용시켰다.

 이런 형태의 해석을 수행하는데 있어서는 각 부재간의 접촉면을 정확하게 모델링하는 것이 핵심이 되는데 여기에는 LUSAS 의 slideline이 아주 유용하게 사용되었다. Slideline은 접하는 컴포넌트 사이의 어떠한 마찰 접촉이라도 자동 처리된다. 전체적으로 42개 세트의 slideline이 정의되었으며 이것으로 T형 조인트에서 종방향, 횡방향의 하중으로 인해 발생할 수 있는 다양한 접촉 상황을 효과적으로 표현할 수 있었다.

모델에서 이용된 Slideline:

• 웹, base 와 플랜지 플레이트 사이 최초 접촉

• 웹, base 와 플랜지 플레이트에서 볼트 헤드의 밑쪽 사이 최초 접촉

• 플랜지와 웹/base 플레이트사이 감소 또는 증가된 접촉

• 볼트 기둥과 구멍 사이에서 2차적으로 발행할 수 있는 예상 접촉

   

 조인트의 파괴는 알루미늄의 경우는 항복으로, GRP의 경우는 합성재료의 강도 초과로 간주된다. 그런 측면에서 플랜지와 바닥면/웹 플레이트 사이의 접촉면과 프랜지의 곡면 중앙지점에서의 예상 파괴 하중을 얻을 수 있었다. 스트레인 게이지(strain gauge)를 사용한 실험도 연구의 한 부분으로 수행되었으며, 실험결과 값들은 LUSAS 결과의 정확성을 확인하기 위해 이용되었다.

결과

 LUSAS를 이용한 해석결과는 볼트로 연결된 알루미늄 조인트의 경우 인장력에 대해 볼트 구멍에서의 벌어짐이 먼저 발생하고 곧이어 웹의 구멍에서도 유사한 피해가 발생되는 것으로 나타났다. 극한 파괴는 웹의 중간 부분에서 높은 응력과 변형율의 집중 때문에 발생했다. NPL의 연구원 Mike Gower는 “알루미늄 조인트에 대한 인장 하중 해석에서 우리는 항복 하중의 일정 수준 정도의 하중을 사용한 피로해석을 위해 어디에서 어느 정도 항복이 발생하는지를 예측하고자 하였습니다.”

 GRP T형 조인트에 대해, Mike Gower는 “Hashin failure model을 사용한 LUSAS의 결과는 실제와 잘 일치하였습니다. 처음 생각에는 GRP 플랜지가 웹 근처 중앙부에서 박리될 것으로 보였습니다만 LUSAS의 예측이나 실험결과에서나 Hashing Failure index에 의해 예상된 최대 응력이 볼트 아래 접촉면에서 응력이 플랜지의 곡면을 따라 전이되기 전에 발생하는 것으로 나타났습니다.”

 종방향 인장응력 하중 케이스에 대해서는 LUSAS의 결과가 다소 크게 나타났는데, 이것은 바닥판의 지지조건을 스프링 지지로 했어야 하는데 무한 강성으로 구속시킨 것이 원인인 것으로 판단되었습니다. 항복 하중에 대한 예측은 아주 잘 맞았습니다. 횡방향 하중에 대해 얻어진 결과도 잘 일치하였는데 종방향 하중에 비해 바닥판 구속 조건의 영향을 덜 받았음을 알 수 있었습니다.

국립 물리 실험실 연구원(UK’s National Physical Laboratory) Mike Gower.

“이번 연구에 LUSAS는 매우 유용했으며 LUSAS가 매우 직관적인 프로그램임을 알게 되었습니다.”