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문제 정의
- CNG 복합 용기에서 복합재 부분의 안전성을 평가하기 위하여 이방성 소재에 대해 일반화된 Tsai-Hill 항복조건식을 채택하여 검토한다.
제안 방법
- 본 연구에서는 트랙트릭스(tractrix) 다이를 이용한 초드로잉 공정 및 D.D.I(Deep Drawing & Ironing) 공정으로 제조된 내압을 받는 E-glass/ 에폭시 필라멘트 와인딩 압력용기에 대해 복합재 설계의 이론적 배경과 비선형 유한 요소해석(Nonlinear FE Analysis)을 바탕으로 고압용기 안전성에 영향을 미치는 설계변수(라이너 두께, 적층판 뚜께, 적층판각도)의 영향도를 파악하고 해의 정확성 및 유용성이 검증된 상용 소프트웨어인 ANSYS RSM(Response Surface Method)과 APDL(Parametric design language)을 이용하여 설계자가 간단한 설계변수의 입력만으로도 쉽게 필라멘트 와인딩 CNG 복합재 적층 판을 설계, 해석할 수 있는 최적설계 자동화 모듈을 개발하였고 상용압력에 대한 최적의 CNG 적층판 형상 또한 제시하였다[6,7].
- 특수용 고강도 후판을 이용한 디프 드로잉과아이어닝의 연속공정인 D.D.I공정으로 제조된 금속 라이너에 필라멘트 와이딩하여 CNG 복합재 압력용기를 제작하는 공정도를 Fig. 1 에 나타내었다.
- 와인딩 방법은 크게 축방향에 대해 직각방향으로 라이너의 실린더 부분만 보강한 후프랩(Hoop wrap)과 축방향에 대해 임의의 각도로 라이너 전체를 강화하기 위해 후프 랩(Hoop wrap) 및 헬리컬랩(Helical wrap)을 복합시킨 풀 랩(Full wrap)으로 나뉘어 진다. 본 연구에서는 열간 넥 성형 공정시 돔 부위의 두께가 두꺼워지고 돔 부위의 원주방향 응력이 실린더 부위의 원주방향 응력보다 작으므로 라이너 원통부분 위에 원주방향으로 수지를 함침한 복합재를 후프 랩으로만 와인딩하여 복합재가 용기의 원주 방향으로 부가되는 응력만 부담하도록 하였다. Fig.
- 본 연구에서는 ANSYS/PDS(Probabilistic Design System)를 실험계획법 관점에서 수행하여 각각의 설계변수가 상태변수에 미치는 영향의 정도를 검증하였고, 이를 토대로 ANSYS/ RSM을 이용하여 최적화 설계를 위한 설계변수(와인딩 두께, 와인딩 각도)를 선택하여 고압가스 안전관리기준을 만족하는 최적의 설계변수 값을 자동으로 결정한다.
- 금속재 라이너에 대해서는 8절점 6면체 요소인 Solid 185요소를, 적층판(Laminate)에 대해서는 8절점 6면체 쉘요소인 Solid 46를 사용하였다. 해석시간을 줄이기 위해 라이너 상부 돔부분과 실린더의 일부분만을 모델링하였으며 쉘요소는 3차원형상에만 적용됨으로 인해 원주방향으로 10만큼 회전시켜 체적을 생성하였다. 응력해석에서 접촉이 일어나는 부분인 라이너표면과 적층판 사이에서의 접촉처리는 면 대 면 접촉요소(Point to surface contact element)를 사용하여 접촉처리를 하고 있기 때문에 인접하고 있는 면에서는 절점의 위치가 같아야하고 라이너가 변형을 일으킬 경우 섬유도 함께 변형하게 되고 이로 인해 고정된 전체 좌표계에 대한 섬유의 상대적인 위치도 변하게 되므로 경계조건은 절점좌표계에 대해 부여 했다.
- 응력해석에서 접촉이 일어나는 부분인 라이너표면과 적층판 사이에서의 접촉처리는 면 대 면 접촉요소(Point to surface contact element)를 사용하여 접촉처리를 하고 있기 때문에 인접하고 있는 면에서는 절점의 위치가 같아야하고 라이너가 변형을 일으킬 경우 섬유도 함께 변형하게 되고 이로 인해 고정된 전체 좌표계에 대한 섬유의 상대적인 위치도 변하게 되므로 경계조건은 절점좌표계에 대해 부여 했다. 내부에 작용하는 가스의 압력은 하중단계에 따른 과도해석을 이용하여 라이너 내벽에 압력 경계조건으로 부여했다. 압력용기 제품을 사용하기 전에 과대한 내압을 가하였다 제거한 후 라이너의 내주근방을 항복시켜 원주 방향으로 압축잔류응력을 발생시킴으로써 구조강도향상에 기여하는 자긴압력 크기는 자긴압력 값을 변화시켜 최고의 압축잔류응력을 발생시킴과 동시에 응력비를 만족시킬 수 있는 최적의 압력을 시행착오법으로 행하여 결정하였다.
- 내부에 작용하는 가스의 압력은 하중단계에 따른 과도해석을 이용하여 라이너 내벽에 압력 경계조건으로 부여했다. 압력용기 제품을 사용하기 전에 과대한 내압을 가하였다 제거한 후 라이너의 내주근방을 항복시켜 원주 방향으로 압축잔류응력을 발생시킴으로써 구조강도향상에 기여하는 자긴압력 크기는 자긴압력 값을 변화시켜 최고의 압축잔류응력을 발생시킴과 동시에 응력비를 만족시킬 수 있는 최적의 압력을 시행착오법으로 행하여 결정하였다.
- 3장의 이론을 토대로 여기에서는 실제 현장에서 적용되고 있는 복합재 층이 단층( k= 1)인 경우만을 고려하여 설계변수를 변화시켜 상태함수를 동시에 모두 만족시키는 경우중에 HT가 최소가 되는 조건을 최적의 설계변수 값으로 결정한다.
- 반응표면법의 실험계획법관점에서 각각의 설계 변수가 각각의 상태변수에 미치는 영향의 정도를 비교, 검증하였다. 각각의 설계변수가 smax, shymax, sratio에 미치는 민감도를 히스토그램으로 나타내면 위 Fig.
- shymax,sratio의 상태변수에 대해서도 같은 방법으로 평가되어 진다. 그러나 가장 smax값에 영향을 미치는 설계변수 LT의 경우는 D.D.I 공정으로 제작된 라이너는 실제 현장에서 라이너 기준에 적합한 두께로 이미 결정되어 생산되고 있고, 또한 열간 넥 성형 공정 시 돔 부위의 두께가 두꺼워지고 돔 부위의 원주방향 응력이 실린더 부위의 원주방향 응력보다 작으므로 라이너 원통부분을 원주방향으로만 와인딩 한, 즉 AN 이 0인 후프 랩만을 고려하므로 설계변수는 HT만으로 단순화 되어 지며 본 시스템에서는 HT 만을 설계변수로 하는 최적 설계 문제를 다루었다.
- 상용프로그램인 ANSYS에서 지원하는 설계 최적화 메뉴를 이용하여 Optimization looping에 사용될 모델을 정의하고, 위에서 가정하고 결정되어진 설계 변수 및 상태함수를 지정한 후 설계변수 HT를 변화시켜 상태함수를 만족하는 Design set을 열거하고 Subproblem Appro -ximation Method을 적용해서 나온 결과중 가장 좋은 값, 즉 HT 가 최소가 되는 경우를 최적의 설계값으로 결정하였고 이를 비 숙련자가 쉽게 접근 사용할 수 있도록 매크로화 하여 ANSYS내 최적설계 모듈로 구축하였다. 고압가스 안전관리기준에 준한 상용압력(Working pressure) 2.
- 3. 설계자가 전문적인 지식 및 상당한 정도의 숙련 없이도 DCL창의 원클릭 작업만으로 복합재 용기에 대한 최적설계를 수행할 수 있는 최적설계 자동화 시스템을 개발하였다.
대상 데이터
- 5는 CNG 복합용기의 해석을 위한 표준모델의 유한요소 메쉬(Mesh)형상과 경계조건 및 하중조건을 나타내었다. 금속재 라이너에 대해서는 8절점 6면체 요소인 Solid 185요소를, 적층판(Laminate)에 대해서는 8절점 6면체 쉘요소인 Solid 46를 사용하였다. 해석시간을 줄이기 위해 라이너 상부 돔부분과 실린더의 일부분만을 모델링하였으며 쉘요소는 3차원형상에만 적용됨으로 인해 원주방향으로 10만큼 회전시켜 체적을 생성하였다.
이론/모형
- 고압가스 안전관리기준(ISO 9809-2)을 만족하는 최적의 설계변수 값을 결정하기 위해 Von-mises 항복조건식, Tasi-Hill 항복조건식, 응력비식을 활용하였으며, 다음의 식(11), 식(18), 식(19)에 각각 제시한다.
성능/효과
- “* *”로 표시된 Result set이 Best design set임을 나타내며 이렇게 결정된 파열 시험압력(Bursting test pressure) 4.76 kgf/mm2에 대한 복합재의 최적 두께는 6.25t로, ANSYS 해석 결과를 Fig. 10에 나타내었고 실제로 생산되고 있는Φ340의 용기에 이를 적용하였을 때 안정성이 만족 됨을 또한 확인하였다.
- 4. 이렇게 결정된 파열시험압력 4.76 kgf/ mm2에 대한 복합재의 최적 두께는 6.25t로 실제로 생산 되고 있는 φ340의 용기에 이를 적용하였을 때 안정성이 만족됨을 확인하였다.
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