Since 2015, composite manufacturing technologies have increasingly focused on out-of-autoclave (OOA) to enable mass production. The torsion boxes of the A220 and B787 aircraft have been integrally manufactured using the prepreg/autoclave process; however, there have been no reported cases of applying Out-of-Autoclave (OOA) processes to the development of torsion boxes for horizontal stabilizers. In this paper, the buckling stiffness of an integrally braided composite torsion box manufactured via the Braiding/VARTM(Vacuum assisted resin transfer molding) process was predicted and its structural strength was experimentally validated through structural testing. The torsion box structure was fabricated by laminating braided carbon fabrics for both the skins and spars, followed by oven curing to achieve a one-piece composite structure. Following a screening test was performed in order to evaluate the material properties, B-basis allowables were calculated using the statistical methodology prescribed in CMH-17. The structure was designed to initiate lower skin buckling at 100% design limit load (DLL), and subsequent design ultimate load (150% DLL) tests and failure load structural tests were performed to ensure compliance with aircraft structural design. Excellent correlation between the finite element analysis (FEA) predictions using NASTRAN and the static test results confirmed the validity of the analytical approach.

2015년 이후 복합재료 양산 기술은 대량 생산을 위해 탈오토클레이브(Out-of-Autoclave, OOA) 공정에 중점을 두고 연구개발이 활발히 진행되고 있다. A220 및 B787의 토션 박스는 프리프레그/오토클레이브 공정을 통해 일체성형으로 제작되었으나, 수평 꼬리날개의 토션 박스에 OOA 공정을 적용하여 개발한 사례는 아직 보고되고 있지 않다. 본 논문에서는 브레이딩/VARTM 공정을 통해 제조된 일체형 브레이드 복합재료 토션 박스의 좌굴 강성을 예측하고 구조적 시험을 통해 실험적으로 구조강도를 검증하였다. 토션 박스 구조의 스킨과 스파 모두 브레이드 탄소 직물을 적층한 후 오븐 경화를 통해 일체형 복합재료 구조를 제작하였다. 재료 물성 확인시험(Screening Test)을 수행한 후, B-basis 허용치를 결정하기 위해 CMH-17 통계 분석을 적용하였다. 이 구조물은 100% 설계제한하중(DLL)에서 하부 스킨 좌굴이 발생하도록 설계되었으며, 이후 설계극한하중(DUL) 시험과 파괴 하중 구조 시험을 수행하여 항공기 구조 설계의 적합성을 확인하였다. NASTRAN를 사용한 유한요소해석(FEA) 결과와 정적 시험 결과 간의 상관 관계는 우수한 일치성을 보여 해석적 접근 방식의 타당성을 입증하였다.

Keywords: 탈오토클레이브 공정(OOA), 브레이딩/VARTM(Braiding/VARTM), 토션 박스(Torsion Box), 유한 요소 해석(FEA), 구조시험(Structural Test)