ABAQUS Composite 해석에 필요한 WCM plug-in 소개 (Keyword)

안녕하세요. 

이번 포스팅은 복합재료(Composite Material) 중에서 필라멘트 와인딩(Filament Winding)을 구현하는 ABAQUS plug-in에 대해 알아보려고 합니다. 일단 WCM Plug-in에 대해 설명하기 전에 필라멘트 와인딩이 무엇인지에 대해서 먼저 설명을 드리도록 하겠습니다.

일반적으로 WCM(Wound Composite Modeler)를 이용하는 필라멘트 와인딩의 공정은 Mandrel을 이용하여 Uni-Fiber와 같은 재료로 감는 공정을 생각하시면 됩니다. 그렇기 때문에 이런 복합재료의 구조물로 압력용기나 파이프, 수소탱크와 같은 원통 용기를 구현을 합니다. 여기서 WCM(Wound Composite Modeler)은 연속적으로 감겨있는 형상을 구현하고, 이것은 자동차나 우주 항공 및 화학 분야에서 널리 쓰이고 있습니다.

필라멘트 와인딩 방법은 다양한 분야에 사용됨에 따라 만드는 공정도 두가지 방법이 있습니다.

이 방법은 습식법과 건식법입니다.

필라멘트 와인딩에서의 습식법은 와인딩 과정에서 유리 필라멘트를 수지가 들어간 트레이에 담궈서 함침시키는 과정이 포함되어 있습니다. 반대로 건식법은 프리프레그(Prepreg)를 이용하여 와인딩하는 것을 말한다. 여기서 프리프레그(Prepreg)는 강화 섬유에 매트릭스인 에폭시 수지와 같은 열 경화성 수지를 이용하여 만든 것을 말합니다. 여기서 강화섬유로 사용되는 대표적인 것은 탄소 섬유이며, 이것은 앞에서 언급한 열 경화성 수지계인 에폭시에 함침시켜 일반적으로 알고 있는 프리프레그를 만듭니다. 하지만, 그 외에도 최근에는 열 가소성 수지도 이용하여 만든 성형품이 있으므로 참고하면 좋을 것 같습니다.

위와 같은 공정과정을 통해 만들어지는 것이 Wound Composite이라고 하며, 위에 있는 사진과 같은 회전 용기를 구현하기 위해 사용되어집니다. 또한, 이것은 Layer의 각도를 입력해주면 그 각도에 따른 재료 특성을 자동으로 입력할 수 있게 도와줍니다. 아래 예를 들어 Keyword 형식으로 설명을 하겠습니다.

*Material, name=CFRP

*Density

 1.57e-09,

*Elastic, type=ENGINEERING CONSTANTS

135000., 8000., 8000.,  0.27,  0.27,  0.43,27000.,27000.

10000.,

**** Beta = 79.0 ****

*Material, name=WCM_TANK1_MAT1_BIN28

*Density

 1.57e-09,

*Elastic, type=ENGINEERING CONSTANTS

11499.,   128923.,   8501.34, 0.0251594,  0.424641,  0.266991,   28098.3,   10618.9

   26381.1,

**** Beta = 90.0 ****

*Material, name=WCM_TANK1_MAT1_BIN51

*Density

 1.57e-09,

*Elastic, type=ENGINEERING CONSTANTS

8000.,135000.,  8000.,  0.016,   0.43,   0.27, 27000., 10000.

 27000.,

위에 나타난 beta는 각도를 나타낸다. 이 각도에 따라 Element Set이 나눠져있으며, 그 각도에 따라서 물성치의 적용방법은 조금 달라진다. 위의 Keyword에서 봤을때, 90도를 가진 물성치와 CFRP 물성치의 첫 항을 비교해보면 90도 꺽이면 E2가 E1쪽으로 바뀌는 것을 알 수 있다. 이것을 보면 각도에 변화에 따라서 수치 계산을 진행하고 이에 따른 물성치를 자동으로 Keyword 상에 써주는 Plug-In이라는 것을 알 수 있다. 또한, 이것은 사용자가 기하학적인 구조를 구성하거나 필라멘트 와인딩을 할때 층을 쉽게 만들수 있도록 모듈로서 제공하고 있습니다. 또한, 섬유 방향에 따른 다양한 변수(Wind Angle, Material Property)를 쉽게 적용할 수 있고, 그에 따른 Stress와 Strain을 평가할 수 있도록 만들어졌습니다.

WCM은 반복 작업을 줄이고 효율을 극대화 시킬 수 있는 모듈이라고 생각합니다. 그래서 많은 사람들이 알고 편하게 쓰면 좋을 것 같아서 Composite 관련 포스팅을 할때 같이 올리게 되었습니다. 아무튼 도움이 되셨으면 좋겠습니다.