도쿄이과대학, 탄소섬유 두께·방향 동시 최적화 설계법으로 경량화 달성

도쿄이과대학(TUS, 일본) 연구진이 탄소섬유 두께와 방향을 동시에 최적화하는 새로운 설계법을 채택해, 섬유 강화 복합소재의 경량화를 달성하고 더 가벼운 항공기와 자동차의 문을 열었다.

기존 섬유 조향 설계의 한계

TUS는 탄소섬유 강화 폴리머(CFRP)가 강도 향상을 위해 지속적으로 연구되어 왔음을 지적한다. TUS에 따르면, 대부분의 연구는 '섬유 조향 설계(fiber-steered design)'라는 특정 기술에 집중해왔는데, 이는 섬유 방향을 최적화해 강도를 높이는 것이다.

그러나 섬유 조향 설계 접근법에도 단점이 있다. "섬유 조향 설계는 방향만 최적화하고 섬유 두께를 고정해 CFRP의 기계적 특성을 완전히 활용하지 못한다. 섬유 두께 최적화도 허용하는 경량화 접근법은 거의 고려되지 않았다"고 TUS의 마츠자키 료스케(Dr. Ryosuke Matsuzaki) 박사는 설명한다. 그의 연구는 복합소재에 집중돼 있다.

두께와 방향 동시 최적화 새로운 설계법 제안

이러한 배경에서 마츠자키 박사는 TUS 동료 모리 유토(Yuto Mori)와 쿠메카와 나오야(Naoya Kumekawa)와 함께 복합소재 구조 내 위치에 따라 섬유 방향과 두께를 동시에 최적화하는 새로운 설계법을 제안했다. 이를 통해 강도 저하 없이 일정 두께 선형 적층 모델 대비 CFRP 중량 감소 달성했다. 연구 결과는 Composite Structures에 게재된 새 논문에서 확인할 수 있다.

3단계 프로세스: 준비, 반복, 수정

이들의 방법은 준비, 반복, 수정 3단계로 구성된다. 준비 과정에서는 유한요소법(FEM)으로 초기 분석을 수행해 층 수를 결정하고, 선형 적층 모델과 두께 변화 모델을 가진 섬유 조향 설계로 정성적 중량 평가를 가능하게 한다. 반복 과정에서는 주응력 방향으로 섬유 방향을 결정하고 '최대 응력 이론'을 사용해 두께를 반복 계산한다. 마지막으로 수정 과정에서는 제조 가능성을 고려해 수정하는데, 먼저 강도 개선이 필요한 영역에 '기준 섬유 다발(base fiber bundle)'을 생성한 후 기준 다발 양쪽으로 섬유 다발이 퍼지도록 배열해 최종 방향과 두께를 결정한다.

5% 이상 중량 감소, 더 높은 하중 전달 효율

동시 최적화 방법으로 섬유 방향 단독 최적화 대비 5% 이상 중량 감소 달성하면서 더 높은 하중 전달 효율 구현했다.

연구진은 이 결과에 고무되어 향후 기존 CFRP 부품 추가 경량화를 위한 방법 구현을 기대한다. "우리의 설계법은 복합소재 설계의 통념을 넘어 더 가벼운 항공기와 자동차를 가능하게 하여 에너지 절약과 CO₂ 배출 감소에 기여할 수 있다"고 마츠자키 박사는 관찰했다.