본 연구에서는 열탄성 해석과 복합재/알루미늄 링시편 실험을 통해 성형 온도와 자긴 압력이 복합재와 알루미늄 라이너로 구성된 Type 3극저온 추진제 탱크에 미치는 영향을 살펴보았다. 우선 Type 3 탱크의 온도분포를 구한 뒤 이를 경계조건으로 사용하여 성형온도와 자긴 압력의 영향을 고려한 탄성해석을 수행하였다. 그 결과 복합재의 성형온도가 증가할수록 복합재와 알루미늄 라이너에 각각 잔류압축응력과 잔류인장응력이 증가하였다. 한편 자긴 압력은 극저온 환경에 의해 유발된 잔류열응력의 감소를 초래하였으며 자긴 압력의 크기가 증가할수록 이러한 경향은 두드러졌다. 이러한 성형 온도와 자긴 압력의 영향은 Type 3 극저온 추진제 탱크의 설계 및 제작 단계에 반드시 고려되어야 한다.
본 연구에서는 열탄성 해석과 복합재/알루미늄 링시편 실험을 통해 성형 온도와 자긴 압력이 복합재와 알루미늄 라이너로 구성된 Type 3 극저온 추진제 탱크에 미치는 영향을 살펴보았다. 우선 Type 3 탱크의 온도분포를 구한 뒤 이를 경계조건으로 사용하여 성형온도와 자긴 압력의 영향을 고려한 탄성해석을 수행하였다. 그 결과 복합재의 성형온도가 증가할수록 복합재와 알루미늄 라이너에 각각 잔류압축응력과 잔류인장응력이 증가하였다. 한편 자긴 압력은 극저온 환경에 의해 유발된 잔류열응력의 감소를 초래하였으며 자긴 압력의 크기가 증가할수록 이러한 경향은 두드러졌다. 이러한 성형 온도와 자긴 압력의 영향은 Type 3 극저온 추진제 탱크의 설계 및 제작 단계에 반드시 고려되어야 한다.
In this study, effects of curing temperature and autofrettage pressure on a Type 3 cryogenic propellant tank, which is composed of composite hoop/helical layers and a metal liner, were investigated by thermo elastic analysis and composite/aluminum ring specimen tests. Temperature field of a Type 3 t...
In this study, effects of curing temperature and autofrettage pressure on a Type 3 cryogenic propellant tank, which is composed of composite hoop/helical layers and a metal liner, were investigated by thermo elastic analysis and composite/aluminum ring specimen tests. Temperature field of a Type 3 tank was obtained from solving the heat transfer problem and, in turn, was used as nodal temperature boundary conditions during the elastic analyses for curing temperature and autofrettage pressure effects. As a result, it was shown that the higher curing temperature was, the more residual compressive stress and tensile stress were induced in composites and metal liner, respectively. On the contrary, autofrettage pressure brought the reduction of these residual thermal stresses caused by cryogenic environments to the tank structure. This tradeoff for curing temperature and autofrettage pressure must be considered in the design and manufacturing stages for a Type 3 cryogenic tank.
In this study, effects of curing temperature and autofrettage pressure on a Type 3 cryogenic propellant tank, which is composed of composite hoop/helical layers and a metal liner, were investigated by thermo elastic analysis and composite/aluminum ring specimen tests. Temperature field of a Type 3 tank was obtained from solving the heat transfer problem and, in turn, was used as nodal temperature boundary conditions during the elastic analyses for curing temperature and autofrettage pressure effects. As a result, it was shown that the higher curing temperature was, the more residual compressive stress and tensile stress were induced in composites and metal liner, respectively. On the contrary, autofrettage pressure brought the reduction of these residual thermal stresses caused by cryogenic environments to the tank structure. This tradeoff for curing temperature and autofrettage pressure must be considered in the design and manufacturing stages for a Type 3 cryogenic tank.
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문제 정의
본 연구에서는 Type 3 극저온 추진제 탱크 구조의 열탄성해석과 복합재/알루미늄 링 시편실험으로부터 성형온도와 자긴 압력이 Type 3 탱크 구조물에 미치는 영향을 살펴보았으며 결론은 다음과 같다.
한다. 이에 본 연구에서는 상용 구조해석 코드인 ABAQUS를 이용해 열탄성 해석을 수행하여 성형온도와 자긴 압력이 Type 3 극저온 추진제 탱크에 미치는 영향을 관찰하였다. 또한 Type 3 극저온 탱크를 간단하게 모사할 수 있는 링 시편 실험 결과로부터 이와 같은 사실을 검증할 수 있었다.
이에 본 연구에서는 자긴 압력이 Type 3 극저온 탱크 구조물에 주는 영향과 자긴 압력의 크기에 따른 영향을 살펴보았다. 이를 위해 앞에서와 마찬가지로 열전달 해석을 통해 온도 장을 취득하였으며 탄성 해석에서는 이를 경계조건으로 사용하였다.
제안 방법
다음으로 성형온도의 영향을 살펴보기 위해 성형온도를 다르게 하여 시편을 제작하였다. 성형 시간은 ASTM E 2070을 참조하여 장비로부터 DSC(Differential Scanning Calorimetry) 발열량이 수렴하는 시간으로부터 취득하였다.
이러한 방법은 시간과 비용을 절감시킬 수 있고 정상상태 (steady state) 해석에 유용하게 사용될 수 있는 장점이 있다. 따라서 본 연구에서 다루는 극저온 탱크의 열탄성 해석에서는 이 방법을 적용하여 복합재와 금속 라이너의 응력분포를 취득하였다’
탄성 해석에서는 기본적으로 열전달 해석에서 얻어진 온도 장이 유지되는 상황에서 내부면에 압력이 가해지는 형태의 하중 조건을 부가하였다. 또한 탱크와 같은 축 대칭 (axisymmetric) 구조물 해석의 편의를 위해 cyclic symmetric 조건을 부가하였으며 실린더 중간부위에 r-0 평면대칭 조건을 각각 경계조건으로 부가하여 모델링을 완료하였다. 성형온도의 영향을 관찰하기 위한 해석에서는 초기 온도 (initial temperature)의 값을 변화시켜가면서 해석을 수행하였고 자긴 압력의 영향을 위한 해석에서는 내부에 작용하는 압력의 크기를 변화시키면서 해석을 수행했다.
이를 위해 앞에서와 마찬가지로 열전달 해석을 통해 온도 장을 취득하였으며 탄성 해석에서는 이를 경계조건으로 사용하였다. 또한 탱크의 안쪽 벽면에는 일정한 내압을 부가하였으며 크기를 변화시키면서 복합재와 알루미늄의 응력분포를 관찰하였다.
본 연구에서는 Type B 수지의 경화제(hardener)인 DICY의경화온도 범위(80℃~ 130℃) 내에서 해석을 수행해 보았으며 그 결과는 Fig. 3과 같다.
또한 탱크와 같은 축 대칭 (axisymmetric) 구조물 해석의 편의를 위해 cyclic symmetric 조건을 부가하였으며 실린더 중간부위에 r-0 평면대칭 조건을 각각 경계조건으로 부가하여 모델링을 완료하였다. 성형온도의 영향을 관찰하기 위한 해석에서는 초기 온도 (initial temperature)의 값을 변화시켜가면서 해석을 수행하였고 자긴 압력의 영향을 위한 해석에서는 내부에 작용하는 압력의 크기를 변화시키면서 해석을 수행했다.
즉 주어진 모델에 대해 열전달 해석을 수행하여 절점별 온도 값을 얻은 후 이를 경계조건으로 부가하여 탄성 해석을 수행하게 된다. 열전달 해석에서는 내부면에 액체 질소 온도인 -196°c가 부가되며 외부 면에서는 20℃의 자유 대류(free convection) 조건을 부가하여 탱크의 온도장을 구하였다. 탄성 해석에서는 기본적으로 열전달 해석에서 얻어진 온도 장이 유지되는 상황에서 내부면에 압력이 가해지는 형태의 하중 조건을 부가하였다.
7은 극저온 시험장치를 나타낸다. 우선 가진 압력의 영향을 평가하기 위해 Fig. 8과 같이 복합재 /알루미늄 링 시편을俨C에서 6회 하중 사이클(0~20kN)을 가한 후 최종 파손 시켜 강도를 비교하는 시험을 수행하였다, 1회 사이클을 수행하는 과정에서 알루미늄의 소성이 발생한 것을 확인할 수 있으며 이러한 현상은 Type 3 탱크에서 자긴 압력이 가해지는 경우와 동일한 과정이다. 이 실험의 결과 최종 파손 강도는 2440MPa이며 이는 복합재로만 구성된 링 시편의 에서의 인장 강도(2709MPa) 보다 낮은 값이다[13].
이를 위해 앞에서와 마찬가지로 열전달 해석을 통해 온도 장을 취득하였으며 탄성 해석에서는 이를 경계조건으로 사용하였다. 또한 탱크의 안쪽 벽면에는 일정한 내압을 부가하였으며 크기를 변화시키면서 복합재와 알루미늄의 응력분포를 관찰하였다.
자긴 압력의 크기를 변화시키면서 복합재층과 알루미늄 라이너 내부의 응력분포 변화를 살펴보았다. Fig.
앞에서 언급했듯이 본 연구에서는 열탄성 해석을 위해 uncoupled method를 사용하게 된다. 즉 주어진 모델에 대해 열전달 해석을 수행하여 절점별 온도 값을 얻은 후 이를 경계조건으로 부가하여 탄성 해석을 수행하게 된다. 열전달 해석에서는 내부면에 액체 질소 온도인 -196°c가 부가되며 외부 면에서는 20℃의 자유 대류(free convection) 조건을 부가하여 탱크의 온도장을 구하였다.
대상 데이터
이루어져 있다. 복합재는 극저온 추진제 탱크에 적용하기 위해 개발된 T700/Type B를 사용하였으며[8] 금속 라이너로는 알루미늄 6061을 적용하였다.
본 연구에서 사용되는 Type 3탕日는 복합재와 금속라이너로 이루어져 있다. 복합재는 극저온 추진제 탱크에 적용하기 위해 개발된 T700/Type B를 사용하였으며[8] 금속 라이너로는 알루미늄 6061을 적용하였다.
본 연구에서는 실린더 직경이 150mm, 보스 직경이 50mm, 실린더 길이가 140mm인 등 장력 돔(isotensoid dome) 탱크를 사용하게 되며 이에 대한 유한요소 모델과 경계조건은 Fig. 1과 같다. 알루미늄 라이너(t=4mm) 위에 19.
2mm)으로 감기어 있다. 이를 모사하기 위해 20절점의 고체 요소(DC3D20, C3D2。)를 사용하였고 사용한 절점과 요소의 수는 각각 9145, 1212개이다. MSC/PATRAN 2003을 사용하여 전처리 작업과 후처리 작업을 수행하였으며 열전달 해석과 탄성 해석은 ABAQUS 6.
해석에 사용한 물성치는 온도에 대한 재료의 비선형성을 고려하기 위해 각각의 온도별로 나타냈으며 이전 실험 결과의 데이터와 관련 문헌들로부터 구하였다복합재 T700/Type 日와 알루미늄의 물성은 Table 1과 Table 2에 나타나 있다.
이론/모형
이를 모사하기 위해 20절점의 고체 요소(DC3D20, C3D2。)를 사용하였고 사용한 절점과 요소의 수는 각각 9145, 1212개이다. MSC/PATRAN 2003을 사용하여 전처리 작업과 후처리 작업을 수행하였으며 열전달 해석과 탄성 해석은 ABAQUS 6.4[기를 사용하였다. 또한 Fig.
I의 좌표계에서 X와 [은 각각 탱크의 축방향 좌표와 반경을 나타내며 원점은 실린더와 보스의 junction 지점이다. 앞에서 언급했듯이 본 연구에서는 열탄성 해석을 위해 uncoupled method를 사용하게 된다. 즉 주어진 모델에 대해 열전달 해석을 수행하여 절점별 온도 값을 얻은 후 이를 경계조건으로 부가하여 탄성 해석을 수행하게 된다.
성능/효과
(1) 경화 온도가 증가할수록 복합재층에 작용하는 섬유 방향 잔류압축응력이 증가하고 알루미늄 라이너에 작용하는 잔류인장응력이 증가한다.
(2) 극저온 상태의 자긴 압력이 가해진 경우 극저온 환경에 의한 열응력이 자긴 압력에 비해 주요하게 나타나서 복합재층에는 여전히 잔류 압축응력이 작용하고 알루미늄 라이너에는 잔류 인장 응력이 작용한다. 하지만 자긴 압력을 가하기 이전에 비해 잔류 열응력의 크기가 감소한다.
(3) 자긴 압력의 크기가 증가할수록 복합재 층에서는 극저온 환경으로 인한 잔류 압축응력의 크기가 작아지고 알루미늄 증에서는 잔류인장응력이 감소한다.
(4) 자긴 압력 효과에 의한 복합재와 알루미늄의 응력분포는 성형온도에 의한 효과와는 반대로 나타난다. 따라서 이러한 경향을 Type 3 극저온 탱크의 설계단계에 잘 반영하여 탱크의 파손강도를 높이는 관점과 알루미늄 라이너의 피로 수명을 연장하는 관점의 적절한 절충안이 필요하다.
한편 Fig. 4(a)의 결과로부터 복합재 후프 층은 자긴 압력을 가한 후 섬유 방향의 잔류 압축응력의 크기(-403MPa)가 극저온 조건만 부가했을 경우의 응력(-560MPa)에 비해 줄어드는 것을 알 수 있다. 이것은 Fig.
9는 각 성형온도에서 파손 강도를 비교한 결과를 나타낸다. 성형온도가 낮아질수록 파손 걍도는 I30℃에서의 결과에 비해 110℃에서는 6.9%, 100℃에서는 11.9% 감소하는 것을 확인하였다. 따라서 파손 강도를 증가시키기 위해서는 성형온도를 증가시키는 것이 바람직함을 알 수 있으며 이는 해석 결과의 경향과도 일치한다.
2와 같다. 열전도계수가 큰 알루미늄은 액체질소 온도와 거의 동일한 값을 보이며 복합재 후프 층과 헬 리컬 층의 외면에도 이와 유사한 매우 낮은 온도의 값을 보이는 것을 알 수 있다.
후속연구
특히 탱크의 운용환경인 극저온 상태로 내려가면 이러한 효과는 더욱 커져 탱크의 응력분포에 큰 영향을 주게 된다. 따라서 경화온도에 따른 극저온 탱크 구조물의 응력분포 경향의 변화를 알아보는 연구가 필요하다.
참고문헌 (13)
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강상국, 김명곤, 김천곤, 공철원, '복합재-알루미늄 양면겹치기 조인트를 이용한 접착제의 극저온 물성 평가,' 제6회 우주발사체기술 심포지움, pp. 31-37, 2005
F. P. Incropera, D. P. DeWitt, Fundamentals of Heat and Mass Transfer, John Wiley & Sons, 1996
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