[논문]금속재 라이너를 갖는 복합재 압력용기의 라이너 압축잔류응력을 고려한 반복수명 예측 방법에 대한 연구

박지상; 정상수; 정재한

doi:10.7234/kscm.2006.19.1.022

금속재 라이너를 갖는 복합재 압력용기의 라이너 압축잔류응력을 고려한 반복수명 예측 방법에 대한 연구
Cycling life prediction method considering compressive residual stress on liner for the filament-wound composite cylinders with metal liner 원문보기

복합재료 : 한국복합재료학회지 = Journal of the Korean Society for Composite Materials, v.19 no.1, 2006년, pp.22 - 28

박지상 (한국기계연구원 신기능재료연구본부) , 정상수 (한국기계연구원 신기능재료연구본부) , 정재한 ((주) 이노원)

초록
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금속재 라이너를 갖는 복합재 압력용기는 라이너의 반복 수명 향상을 위해 제조 공정 중 라이너가 압축잔류응력을 갖도록 하는 자긴처리 공정을 적용할 수 있다. 본 연구에서는 자긴처리에 의한 라이너의 압축잔류응력과 이후의 응력 거동을 정확히 예측할 수 있는 유한요소해석 기법을 제시하고, 이러한 해석 결과를 바탕으로 복합재 압력용기의 반복 수명을 예측할 수 있는 방법을 제안한다. 재료 및 기하학적 비선형성을 고려한 3차원 비선형 유한요소해석을 통해 라이너의 응력 거동을 정확히 예측하고, 압력용기의 반복수명을 결정짓는 파라미터로 금속재 라이너의 폰미세스 응력을 도입한다. 라이너 재료에 대한 피로시험과 복합재 압력용기 시제품에 대한 반복시험을 통해 제안된 방법의 타당성과 유효성을 입증한다.

Abstract ▼ AI-Helper

In manufacturing process of composite cylinders with metal liner, the autofrettage process which induces compressive residual stress on the liner to improve cycling life can be applied. In this study, a finite element analysis technique is presented, which can predict accurately the compressive residual stress on the liner induced by autofrettage and stress behavior after. Material and geometrical non-linearity is considered in the finite element analysis, and the Von-Mises stress of a liner is introduced as a key parameter that determines pressure cycling life of composite cylinders. Presented methodology is verified through fatigue test of liner material and pressure cycling test of composite cylinders.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 금속재 라이너를 갖는 복합재 압력 용기에 대해 반복 수명을 결정하는 금속재 라이너의 응력 거동을 정확히 예측할 수 있는 유한요소 해석기법을 제시하였다. 또한 유한요소해석을 통해 얻은 라이너의 응력 분포와 라이너 재료에 대한 S-N 선도로부터 복합재 압력용기의 반복수명을 예측할 수 있는 방법이 제시되었으며, 그 타당성을 복합재 압력 용기에 대한 압력반복시험을 통해 입증하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 우선, 자긴처리와 이후 반복가압에서 라이너의 응력분포를 정확히 예측할 수 있는 유한요소해석 기법이 제시된다. 여기서는 라이너의 탄소성 거동과 복합재 압력 용기의 기하학적 비선형성을 모두 고려하며, 필라멘트 와인딩 복합재 구조의 재료 이방성과 방향성을 정확히 반영할 수 있는 3차원 비선형 해석기법이 도입된다.

가설 설정

복합재 층이 존재하지 않는다면 자긴압력이 제거되었을 때 라이너에는 q, 만큼의 영구 변형이 남을 것이다. 반대로 복합재 층의 강성이 라이너의 강성에 비해 극단적으로 큰 경우를 가정하면, 자긴압력이 제거되고 영 압력이 되었을 때 복합재층의 탄성 복원력에 의해 용기는 자긴처리 이전으로 완전히 복원되므로 (즉, %=o)라이너에는 o = Ee » 만큼의 압축응력이 유발된다.
이 압축 잔류응력이 라이너의 피로거동에 결정적인 영향을 미치기 때문에 유한요소 해석에서는 이러한 잔류응력의 영향을 고려할 수 있는 해석 기법을 도입한다. 여기서 알루미늄 재료의 구성 방정식은 탄성 완전 소성으로 가정한다. Fig.

제안 방법

기하학적 비선형 해석을 수행하여 자긴처리에 의한 라이너의 압축 잔류응력의 영향을 평가하고 해석에 반영한다. 이를 해석 구간별로 나누어 설명하면 다음과 같다.
또한 유한요소해석을 통해 얻은 라이너의 응력 분포와 라이너 재료에 대한 S-N 선도로부터 복합재 압력용기의 반복수명을 예측할 수 있는 방법이 제시되었으며, 그 타당성을 복합재 압력 용기에 대한 압력반복시험을 통해 입증하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
라이너 재료의 피로 강도 데이터를 얻기 위해 라이너로부터 ASTM E8에 따라 도그본 형상의 쿠폰 시편을 절취하여 피로시험을 수행하였다. 응력 사이클의 최소값은 0이며 최대값은사용압에서 복합재 압력용기에서 라이너 너클부의 응력 수준을 고려하여 180-220 MPa 수준에서 시험을 수행하였으며, 따라서 응력비 Re 0이다.
제안된다. 라이너의 반복수명을 결정하는 파라미터로 폰미세스 응력을 도입하고, 라이너에서 채취한 시편에 대한 피로시험을 통해얻어진 라이너 재료의 피로강도와 비교하여 복합재 압력 용기의 반복수명을 예측할 수 있는 기법이 제시된다. 해석적으로 예측된 결과와 복합재 압력용기의 반복시험 결과를 비교하여 제안된 방법의 타당성과 유효성을 입증한다.
복합재 압력용기에 대한 반복시험은 2장에서 전술한 제원으로 동시에 제작된 2개의 시료에 대해 수행되었다. 반복 가압조건은 0-20.
본 장에서는 유한요소 해석 결과와 라이너 재료의 피로 강도 데이터로부터 복합용기의 반복수명을 예측하고 이를 복합재 압력용기의 압력 반복시험 을 통해 검증한다.

대상 데이터

본 연구에서 다루고 있는 용기는 사용압 20.7 MPa, 내용적 70 liter 급의 천연가스차량용 복합재 압력용기로서, A16061-T6 소재의 이음매 없는 알루미늄 라이너에 T700급 탄소섬유/에폭시를 헬리컬 및 와인딩을 번갈아 감아 풀랩된형식이다. Fig.

성능/효과

1) 복합재 압력용기의 반복수명에 결정적인 영향을 미치는 라이너의 응력 거동은 3차원유한요소 모델링 기법과 경로 의존적 증분 해석 절차를 도입하여 정확히 예측할 수 있었다. 2) 금속재 라이너를 갖는 복합재 압력용기의 반복수명은 자긴 처리에 의한 라이너의 압축잔류응력과 이에 따른 반복 사용압에서 라이너의 응력 수준에 의해 결정되며, 3차원 응력 성분의 조합으로 표현되는 폰미세스 응력이 반복 수명과 가장 밀접한 인자이다.
있었다. 2) 금속재 라이너를 갖는 복합재 압력용기의 반복수명은 자긴 처리에 의한 라이너의 압축잔류응력과 이에 따른 반복 사용압에서 라이너의 응력 수준에 의해 결정되며, 3차원 응력 성분의 조합으로 표현되는 폰미세스 응력이 반복 수명과 가장 밀접한 인자이다.
3) 유한요소해석을 통해 얻은 라이너의 폰미세스 응력 분포와 라이너 재료에 대한 단순인장 피로시험에서 얻어진 피로 강도로부터 복합재 압력용기의 반복수명과 파손모드를 정확히 예측할 수 있었다.
복합재 압력용기에 대한 유한요소 해석결과로부터 반복시험 압력인 사용압에서 라이너의 너클부에 발생하는 최 대응력이 복합재 압력용기의 피로수명을 결정할 것임을 예측할 수 있었다. 본 장에서는 유한요소 해석 결과와 라이너 재료의 피로 강도 데이터로부터 복합용기의 반복수명을 예측하고 이를 복합재 압력용기의 압력 반복시험 을 통해 검증한다.
11을 보면 자긴 후 영 압력 상태에서 압축 잔류응력 수준은 압축항복 직전 수준이다. 이는 본 해석에서 적용된 자긴압력 수준이 복합 용기의 반복 수명을 최대화할 수 있는 최적 수준임을 의미한다.
라이너의 반복수명을 결정하는 파라미터로 폰미세스 응력을 도입하고, 라이너에서 채취한 시편에 대한 피로시험을 통해얻어진 라이너 재료의 피로강도와 비교하여 복합재 압력 용기의 반복수명을 예측할 수 있는 기법이 제시된다. 해석적으로 예측된 결과와 복합재 압력용기의 반복시험 결과를 비교하여 제안된 방법의 타당성과 유효성을 입증한다.

후속연구

다음으로는, 라이 너 의 응력분포로부터 복합재 압력용기 의반복수명을 결정하기 위한 실험적, 해석적 방법이 제안된다. 라이너의 반복수명을 결정하는 파라미터로 폰미세스 응력을 도입하고, 라이너에서 채취한 시편에 대한 피로시험을 통해얻어진 라이너 재료의 피로강도와 비교하여 복합재 압력 용기의 반복수명을 예측할 수 있는 기법이 제시된다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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