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문제 정의
- 본 연구에서는 압축천연가스와 같은 초고압가스를 안전하게 저장하기 위해 연료 저장탱크의 안쪽에는 압출 인장성이 우수한 알루미늄 라이너를 성형하여 제작하고, 이 라이너의 외측에 탄소섬유, 유리섬유로 이루어진 복합소재로 촘촘하게 연달아 감아 제조한 연료탱크에 대해 FEM 강도해석을 진행하였다. 고압가스 차량용 저장탱크를 사용압력을 공급한 상태에서 해석한 FEM 강도해석 결과는 미국의 DOT-CFFC와 한국의 KS규격에 따라 강도안전성 평가기준에 따라 평가하였다[6].
제안 방법
- Al6061-T6 소재의 알루미늄 라이너와 에폭시를 레진으로 사용하고, 탄소섬유와 유리섬유로 이루어진 복합소재를 감아 성형한 복합소재 연료탱크에 대해 FEM 강도안전성 연구를 수행하였다. 자긴공정을 거친 후에 여러 가지의 가스압력을 공급한 상태에 대한 강도해석을 수행하고, 그 결과를 DOTCFFC와 한국 KS규격에 따라 평가하였다.
- Fig. 1에서 보여준 초고압가스 차량용 복합소재 저장탱크에 대한 강도안전성 평가는 미국의 DOT-CFFC와 한국의 KS에 기준하여 알루미늄 라이너 소재와 복합소재 2개 부분으로 나뉘어 평가를 진행하였다. 즉,
- 1에서 저장탱크의 단면모델을 보여주고 있다. 여기서 복합소재 저장탱크는 내부에 박판의 알루미늄 소재(Al 6061-T6)로 라이너를 제작하고, 이 알루미늄 라이너의 외측부에는 4개의 복층으로 구성된 복합소재 코드(code)를 겹겹이 적층하여 저장탱크의 강도안전성을 확보하도록 하였다. 즉, 복합소재를 원주 방향(hoop)과 헤리컬 방향(helical)으로 감아서 연료탱크의 강도안전성을 확보한다.
- 저장탱크에 공급된 시험압력이 51MPa일 때 알루미늄 라이너에 작용하는 응력은 비교적 높으면서 균일한 von Mises 응력이 작용하는 것으로 나타났고, 가스를 충전하고 방출하는 돔(dome) 부분에서 높아진 응력조건은 FEM 해석에서 사용한 축대칭 해석모델의 구속조건에 의해 형성된 것으로 판단되므로 본 해석의 관찰영역에서는 배제하였다.
대상 데이터
- 저장탱크에 공급된 시험압력이 51MPa일 때 알루미늄 라이너에 작용하는 응력은 비교적 높으면서 균일한 von Mises 응력이 작용하는 것으로 나타났고, 가스를 충전하고 방출하는 돔(dome) 부분에서 높아진 응력조건은 FEM 해석에서 사용한 축대칭 해석모델의 구속조건에 의해 형성된 것으로 판단되므로 본 해석의 관찰영역에서는 배제하였다. 따라서 탱크해석에서 의미를 갖는 저장탱크의 알루미늄 라이너 중심부근에서 계산된 응력값을 강도안전성 평가기준 데이터로 사용하였다.
- 본 연구에서 고려한 유한요소 해석모델은 9.2리터의 저장용량을 갖는 초고압가스 차량용 복합소재 연료탱크로 Fig. 1에서 저장탱크의 단면모델을 보여주고 있다. 여기서 복합소재 저장탱크는 내부에 박판의 알루미늄 소재(Al 6061-T6)로 라이너를 제작하고, 이 알루미늄 라이너의 외측부에는 4개의 복층으로 구성된 복합소재 코드(code)를 겹겹이 적층하여 저장탱크의 강도안전성을 확보하도록 하였다.
이론/모형
- 본 연구에서는 압축천연가스와 같은 초고압가스를 안전하게 저장하기 위해 연료 저장탱크의 안쪽에는 압출 인장성이 우수한 알루미늄 라이너를 성형하여 제작하고, 이 라이너의 외측에 탄소섬유, 유리섬유로 이루어진 복합소재로 촘촘하게 연달아 감아 제조한 연료탱크에 대해 FEM 강도해석을 진행하였다. 고압가스 차량용 저장탱크를 사용압력을 공급한 상태에서 해석한 FEM 강도해석 결과는 미국의 DOT-CFFC와 한국의 KS규격에 따라 강도안전성 평가기준에 따라 평가하였다[6].
- Al6061-T6 소재의 알루미늄 라이너와 에폭시를 레진으로 사용하고, 탄소섬유와 유리섬유로 이루어진 복합소재를 감아 성형한 복합소재 연료탱크에 대해 FEM 강도안전성 연구를 수행하였다. 자긴공정을 거친 후에 여러 가지의 가스압력을 공급한 상태에 대한 강도해석을 수행하고, 그 결과를 DOTCFFC와 한국 KS규격에 따라 평가하였다.
성능/효과
- (1) 복합소재에 대한 자긴공정(autofrettage process)을 거친 후 0MPa이 되었을 때, 알루미늄 라이너의 벽면에서 발생한 등가응력은 알루미늄 소재의 항복응력 95% 수준을 초과해서는 안 된다.
- (2) 복합소재에 대한 자긴공정을 거친 후 충전압력을 작용할 때, Al 라이너의 벽면에 걸리는 인장응력은 알루미늄의 항복응력 60% 수준을 초과해서는 안 된다.
- (3) 충전압력에서 최대섬유응력은 최소파열압력에서의 최대섬유응력의 30% 수즌을 초과해서는 안 된다.
- FEM 응력특성 해석결과에 의하면, 저장탱크에서 발생한 응력은 특히 돔에서 측정위치에 따라 변하지만 저장탱크의 몸통부에서 발생한 응력은 비교적 균일한 것으로 나타났다.
- 3과 4는 초고압가스 차량용 복합소재 저장탱크의 알루미늄 라이너 및 복합소재에 내압으로 작용하는 충진압력 31MPa 및 시험압력 51MPa을 공급하였을 때, 알루미늄 라이너에 걸리는 응력분포 특성을 보여주고 있다. FEM으로 계산한 해석결과를 보면, 알루미늄 라이너 소재의 최고응력은 라이너 몸체의 중간부근에서 높은 응력이 균일하게 발생하는 것으로 나타났다. 물론 압력탱크의 노브(knob) 부근에서 국부적으로 큰 응력이 걸리는 것은 소재의 라운드 처리부분의 오차라고 생각하면 된다.
- 또한 복합소재 저장탱크의 강도안전성 평가기준에 따라서 FEM 강도해석 데이터와 비교하면 모두 평가기준을 만족하는 것으로 나타났기 때문에 본 연구에서 제시한 9.2리터의 초고압가스용 복합소재 연료탱크의 안전성을 확보된 것으로 판단된다.
- 5MPa로 모두 30% 이하이기 때문에 안전한 것으로 생각된다. 또한 후프 방향의 유리섬유/에폭시 소재응력은 26.8MPa, 헤리컬 방향의 유리섬유/에폭시 소재응력은 27.1MPa로 모두 30% 이하이기 때문에 모두 안전한 것으로 나타났다.
- 이것은 복합소재 저장탱크의 강도안전성 평가기준으로 제시된 95% 이하이기 때문에 안전한 것으로 판단할 수 있다. 또한, 복합소재의 자긴공정을 거쳐 강성도를 크게 높인 후에 충전압력을 가한 상태에서 알루미늄 라이너의 벽면에서 발생하는 인장응력은 137MPa로 알루미늄 소재의 항복강도 60% 이하를 만족해야 하는 강도안전 평가 기준치에 미달하므로 안전한 것으로 판단된다. 따라서 알루미늄 소재로 제조된 Fig.
- 4로 탄소섬유의 최소응력비 조건 이상으로 예측되어 모두 안전한 것으로 나타났다. 또한, 후프 방향의 유리섬유/에폭시 최소응력비는 3.4, 헤리컬 방향의 유리섬유/에폭시 최소응력비는 3.5로 모두 초과하는 것으로 나타났으며, 전체적으로 볼 때 안전기준을 모두 만족하는 것으로 판단된다.
- 따라서 초고압가스 복합소재 저장탱크를 사용하기 위해서는 미국의 DOT-CFFC와 한국의 KS 규격에서 제시한 평가기준치를 모두 만족해야 한다. 본 연구에서 제시한 Fig. 1의 탱크모델에 대한 강도해석 결과에 의하면, DOT-CFFC와 KS에서 제시한 평가 기준치를 만족하는 것으로 나타났기 때문에 설계측면에서 본 탱크의 강도 안전성을 확보하고 있다. 그러나 복합소재를 제조하는 과정에 제조결함이 발생하거나 탱크를 버스 등에 장착하여 사용하는 과정에 외부충격을 강하게 받으면 초고압가스용 저장탱크의 안전성을 담보할 수 없기 때문에 반드시 실험적으로 강도안전성을 체크하고, 복합소재를 제조하는 프로세스를 엄격하게 관리하는 것이 초고압가스용 저장탱크의 안전성을 담보하는 지름길이다.
- 4 이상으로 설계되어야 안전하다. 이 경우 KS 평가기준을 만족하기 위해 해석한 Fig. 6의 해석결과에 의하면 후프 방향의 탄소섬유/에폭시 최소응력비는 2.4, 헤리컬 방향의 탄소섬유/에폭시 응력비는 2.4로 탄소섬유의 최소응력비 조건 이상으로 예측되어 모두 안전한 것으로 나타났다. 또한, 후프 방향의 유리섬유/에폭시 최소응력비는 3.
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