공업의 경량화 추세 하에서 단섬유 강화 열가소성 플라스틱은 가공이 쉽고 원가가 낮은 우세로 인해 응용이 날로 광범위해지고 있다.다구조설계의 응용에서 단섬유강화열가소성플라스틱을 기타 재료와 접착시켜야 하는데 어떻게 그 접착이음매의 강도를 정확하고 효과적으로 예측하여 구조의 안전을 확보할것인가 하는것은 시급히 해결해야 할 문제로 되였다.이 문제에 대해 일본 게이오 대학의 Masaki Omiya는 직접법을 이용하여 두 가지 (Based on J, Based on G) J 포인트 값을 계산하여 내부 폴리머 모델 (CZM) 매개변수를 획득하는 방법을 제시했으며, 이를 바탕으로 짧은 섬유를 사용하여 열가소성 플라스틱을 접착재로 사용하는 접착 커넥터의 강도를 예측하는 방법을 개발하여 관련 제품의 설계와 성능 평가에 더 정확한 도구를 제공했다.

그림 1 끝 컷 벤드(ENF) 시험 다이어그램 및 분석 매개변수 설명

이 문서에서는 끝부분 컷 벤드(ENF) 시험을 통해 절단력에서 조인트의 II형 실효 과정을 시뮬레이션합니다.피접착물은 단섬유강화열가소성플라스틱이고 접착제는 에폭시수지로서 시험을 진행하기전에 레이저소식처리로 피접착물의 표면을 처리하고 금속박막과 테플론접착제를 사용하여 접착층의 두께를 통제하고 초기균열을 미리 제작한다.시험 과정 중에 변위 제어 방식을 채택하여 3점 구부림 로드를 진행한다.마지막으로 분석을 통해 얻은 CZM 파라미터와 결합하여 유한원 분석을 한다(그림 2). 이를 통해 본고에서 사용한 방법의 정확성을 검증한다.

그림 2 ENF 시험 유한 요소 분석의 경계 조건 및 메쉬 모드

연구진은 ENF 시험 데이터를 이용해 II형 단열 J 포인트의 두 가지 다른 형태를 고려했다. 하나는 접착물의 가소성 변형에 의해 소모되는 에너지(Based on J)를 고려했고, 다른 하나는 접착물을 순탄성(Based on G)으로 가정했다.그들은 각각 이 두 가지 J 포인트에 기초하여 두 그룹의 서로 다른 CZM 모델 매개변수 (그림 3) 를 유도해냈고, 이 두 그룹의 매개변수를 유한원 분석에 대입하여 ENF 시험 유한원 분석의 하중-변위 곡선을 얻었다.ENF 시험의 실험 데이터를 유한원 결과와 비교한 결과, 순탄성 가설의 J 포인트에 근거하여 유도된 CZM 매개변수가 접착 커넥터의 실제 강도를 더 정확하게 예측할 수 있음을 알 수 있다.

그림 3은 두 가지 다른 형태의 J 포인트에 기반한 CZM 매개 변수

그림 4 ENF 시험 하중 - 변위 곡선의 실험 데이터와 유한 요소 결과 비교

요약하자면, 이 문서는 접착 부품으로 사용되는 접착 커넥터의 강도를 예측하기 위해 짧은 섬유가 열가소성 플라스틱을 강화시키는 방법을 개발했습니다.ENF 시험의 실험 데이터를 직접적으로 분석하여 두 가지 가설의 CZM 매개변수를 얻은 다음, 얻은 두 그룹의 CZM 매개변수를 기반으로 각각 유한원 분석을 진행하고, 시뮬레이션된 하중-변위 곡선을 실험 결과와 비교하여 낮은 강도의 강화 열가소성 재료 (예: 짧은 섬유 강화 복합 재료) 를 사용하는 접착 커넥터에서 순수 탄성 가설의 직접법으로 예측한 접착 커넥터의 실제 강도와 더 일치하는 것을 발견한다.이 문서의 작업은 CZM 모델을 만들기 위해 접착 시스템에서 CZM 매개변수를 얻는 새로운 아이디어를 제공합니다.

관련 연구 논문은'Validation of mode II cohesive law obtained using the direct method with short-fiber-reinforced thermoplastic adhesively bonded end-notched flexure joints'라는 제목으로'Engineering Fracture Mechanics'에 실렸다.