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멀티 스케일 접근법을 이용한 복합재 압력용기의 수명 예측
Life Prediction of Composite Pressure Vessels Using Multi-Scale Approach 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.11 no.9, 2010년, pp.3176 - 3183  

진교국 (한양대학교 기계공학과) ,  하성규 (한양대학교 기계공학과) ,  김재혁 (한양대학교 기계공학과) ,  한훈희 (한양대학교 기계공학과) ,  김성종 (한양대학교 기계공학과)

초록
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본 논문은 다축 하중을 받는 복합재 압력용기의 멀티 스케일 피로수명 예측 방법을 제시하였다. 멀티 스케일 접근법은 복합재료의 기본 구성재료인 섬유, 기지 및 섬유/기지 경계면의 거동으로부터 복합재 플라이, 적층판 및 구조물의 전체 거동을 예측한다. 멀티 스케일 피로수명은 거시적 응력 해석과 미시적 피로파손 해석을 통해 예측된다. 유한요소법을 이용하여 복합재 압력용기의 적층판에 가해지는 다축 피로하중을 구하며, 고전적층판이론을 이용하여 적층판의 플라이 응력을 계산하였다. 미소역학 모델을 이용하여 플라이 응력으로부터 각각 섬유, 기지 및 섬유/기지 경계면에 발생되는 응력을 계산하였다. 복합재 구성재료의 피로수명은 섬유에 대해서는 최대응력법을, 기지에 대해서는 등가응력법을, 섬유/기지 경계면에 대해서는 임계평면법을 사용하였다. 평균응력을 고려하기 위하여 수정된 Goodman 식을 적용하였다. 모든 피로하중에 의한 손상은 Miner 법칙을 이용하여 선형 누적이 되고, 이를 통해 최종 피로파손을 판단한다. 섬유와 기지의 물성값, 섬유체적비 및 와인딩 각도의 확률분포에 따른 복합재 압력용기의 피로수명 영향을 분석하기 위해 몬테카르로 시뮬레이션을 수행하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

A multi-scale fatigue life prediction methodology of composite pressure vessels subjected to multi-axial loading has been proposed in this paper. The multi-scale approach starts from the constituents, fiber, matrix and interface, leading to predict behavior of ply, laminates and eventually the compo...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 논문에서는 복합재 구조물에 관한 멀티 스케일 피로수명 예측 방법을 제시하여 복합재 압력용기의 피로수명을 평가하고자 한다. 통계 프로그램을 이용하여 복합재 섬유와 기지의 물성값, 섬유체적비 및 와인딩 각도의 편차에 따른 복합재 압력용기의 피로 수명에 미치는 영향을 분석하고, 몬테카르로 시뮬레이션(Monte Carlo simulation)을 수행하여 압력용기의 피로수명에 대한 신뢰성 평가를 하고자 한다.
  • 본 논문은 다축 하중을 받는 복합재 압력용기의 멀티 스케일 피로수명 예측 방법을 제시하였다. 또한, 통계학 소프트웨어인 Dataplot과 몬테카르로 시뮬레이션을 통해 복합재 섬유와 기지의 물성값, 섬유체적비 및 와인딩 각도의 편차에 따른 복합재 압력용기의 피로수명의 민감도 분석과 확률분포를 제시하였다.

가설 설정

  • 은 단면의 수직응력, τ는 단면의 전단응력이며, k는 재료상수이다. 본 연구에서는 섬유/기지 경계면의 피로강도가 높다고 가정하여 경계면의 피로파손을 무시하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
멀티 스케일 접근법은 무엇을 예측하는가? 본 논문은 다축 하중을 받는 복합재 압력용기의 멀티 스케일 피로수명 예측 방법을 제시하였다. 멀티 스케일 접근법은 복합재료의 기본 구성재료인 섬유, 기지 및 섬유/기지 경계면의 거동으로부터 복합재 플라이, 적층판 및 구조물의 전체 거동을 예측한다. 멀티 스케일 피로수명은 거시적 응력 해석과 미시적 피로파손 해석을 통해 예측된다.
복합재료의 구조물 파손은 무엇에 의하여 유발되는 경우가 많은가? 복합재 구조물 파손은 피로하중에 의하여 유발되는 경우가 많아 구조물의 안전성과 신뢰도 확보를 위해서는 초기 설계 단계에서 피로하중에 대한 고려가 필수적이며, 각 구조물의 피로수명 평가가 요구된다. 금속 구조물의 피로 수명이론은 지금까지 많은 이론과 시험을 통해 그 신뢰성이 확보된 반면, 복합재료는 섬유 및 기지의 특성 및 제작 방법의 다양성으로 인해 정확한 수명을 예측할 수 있는 이론이 없다.
금속 구조물의 피로 수명이론의 한계는 무엇인가? 복합재 구조물 파손은 피로하중에 의하여 유발되는 경우가 많아 구조물의 안전성과 신뢰도 확보를 위해서는 초기 설계 단계에서 피로하중에 대한 고려가 필수적이며, 각 구조물의 피로수명 평가가 요구된다. 금속 구조물의 피로 수명이론은 지금까지 많은 이론과 시험을 통해 그 신뢰성이 확보된 반면, 복합재료는 섬유 및 기지의 특성 및 제작 방법의 다양성으로 인해 정확한 수명을 예측할 수 있는 이론이 없다. 하지만 고압 복합재 압력용기와 같이 피로 하중을 받는 구조물에서는 반드시 피로수명을 고려한 설계가 이루어져야 한다.
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참고문헌 (17)

  1. M. A. Miner, "Cumulative Damage in Fatigue", Journal of Applied Mechanics, Vol. 12, No. 3, pp. 159-164, 1945. 

  2. G. P. Sendeckyj, Life Prediction for Resin-Matrix Composite Materials. In: Fatigue of Composite Materials, Reifsnider K.L (ed), Amsterdam, Oxford, New York, Tokyo: Elsevier, pp. 431-83, 1991. 

  3. K. L. Reifsnider and W.W. Stinchcomb, A Critical-Element Model of the Residual Strength and Life of Fatigue-Loaded Composite Coupons. In: Composite Materials: Fatigue and Fracture, ASTM STP 907, Hahn H.T (ed), pp. 298-313, 1986. 

  4. N. Himmel, "Fatigue Life Prediction of Laminated Polymer Matrix Composites", International Journal of Fatigue, Vol. 24, No. 2, pp. 349-360, 2001. 

  5. ISO Standard 11119-3, 2002, First edition - Gas cylinders of composite construction-Specification and test methods; Part 3: Fully wrapped fiber reinforced composite gas cylinders with non-load-sharing metallic or non-metallic liners. 

  6. G. Tao, et al., "Mean Stress/Strain Effect on Fatigue Behavior of an Epoxy Resin", International Journal of Fatigue, Vol. 29, No. 12, pp. 2180-2190, 2007. 

  7. T. P. Philippidis, et al., "Fatigue Design Allowables for GRP Laminates Based on Stiffness Degradation Measurements", Composites Science and Technology, Vol. 60, No. 15, pp. 2819-2828, 2000. 

  8. J. T. Fong, et al., "Uncertainty in Finite Element Modeling and Failure Analysis: A Metrology-Based Approach", Journal of Pressure Vessel Technology, Vol. 128, No. 1, pp. 140-147, 2006. 

  9. J. T. Fong, "Inservice Data Reporting Standards for Engineering Reliability and Risk Analysis", Journal of Nuclear Engineering and Design, Vol. 60, No. 1, pp. 159-161, 1980. 

  10. J. T. Fong, et al., "An Intelligent Flaw Monitoring System: From Flaw Size Uncertainty to Fatigue Life Prediction with Confidence Bounds in 24 Hours", Proceedings of the 8th World Congress on Computational Mechanics, Venice, Italy, June 30-July 5, 2008. 

  11. J. T. Fong, et al., "A Web-Based Uncertainty Plug-In (WUPI) for Fatigue Life Prediction based on NDE Data and Fracture Mechanics Analysis" ASME Pressure Vessels and Piping Conference, Prague, Czech Republic, July 26-30, 2009. 

  12. J. T. Fong, et al., "A Design-of-Experiments Plug-In for Estimating Uncertainties in Finite Element Simulations", International SIMULIA Customer Conference, London, England, May 18-21, 2009. 

  13. T. Hobbiebrunken, et al., "Influence of Non-Uniform Fiber Arrangement on Microscopic Stress and Failure Initiation in Thermally and Transversely Loaded CF/epoxy Laminated Composites", Composites Science and Technology, Vol. 68, No. 15-16, pp. 3107-3113, 2008. 

  14. P. A. Zinoviev, et al., "The Behaviour of High-Strength Unidirectional Composites under Tension with Superposed Hydrostatic Pressure", Composites Science and Technology, Vol. 61, No. 8, pp. 1151-1161, 2001. 

  15. K. K. Jin, et al., "Distribution of Micro Stresses and Interfacial Tractions in Unidirectional Composites", Journal of Composite Materials, Vol. 42, No. 18, pp. 1825-1849, 2008. 

  16. Y. Huang, et al., "Effects of Fiber Arrangement on Mechanical Behavior of Unidirectional Composites", Journal of Composite Materials, Vol. 42, No. 18, pp. 1851-1871, 2008. 

  17. J. J. Filliben, et al., Dataplot: A Statistical Data Analysis Software System, A Public Domain Software by NIST, 2007. 

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