Numerical Study on Lightning-Induced Damage in Carbon/Epoxy Composites: Effects of Joule Heating, Shock Overpressure, and Heat Flux

낙뢰는 복합재 구조물, 특히 탄소섬유/에폭시 적층 복합재에 심각한 손상을 초래할 수 있다. 본 연구에서는 낙뢰에 수반되는 다양한 물리적 현상에 의해 유도되는 구조 손상을 수치 해석을 통해 비교 분석하였다. 낙뢰에 의해 적층 복합재에 영향을 미치는 주요 인자로는 줄 가열(Joule heating), 충격파 과압(Shock Wave Overpressure, SWO), 열유속(Heat Flux)이며, 시뮬레이션을 통해 각 인자의 영향을 평가하였다. 인공 낙뢰 조건은 피크 전류 40 kA의 전류 파형 A를 기반으로 설정하였고, 이를 통해 SWO 및 열유속 조건을 도출하였다. 해석 대상은 150 × 150 × 1.0 mm의 크기를 갖는 탄소섬유/에폭시 복합재 판재이며, 시뮬레이션에는 Abaqus 6.14 소프트웨어를 사용하였다. 줄 가열 및 열유속 조건에서는 약 300 °C를 매트릭스의 열적 파손 개시 온도로 정의하였으며, 기계적 손상 분석에는 Hashin 파손 기준을 적용하여 충격파 하중에 따른 섬유 및 매트릭스 손상을 예측하였다. 시뮬레이션 결과, 줄 가열이 가장 심각한 손상을 유발하는 요인으로 분석되었으며, 이에 따른 손상 체적 비율은 4.14 %로 나타났다. 반면, SWO 조건에서는 기계적 손상이 관찰되지 않았고, 열유속 조건에서는 단 0.03 %의 경미한 손상 체적 비율이 확인되었다. 또한, 본 연구에서는 면내 방향과 두께 방향에서의 열적 및 기계적 응답에 대한 추가적인 결과도 상세히 논의하였다.