Type3 복합재료 압력용기의 복합재층 손상에 따른 영향성 평가를 위한 해석기법에 관한 연구 A Study on Analysis Method to Evaluate Influence of Damage on Composite Layer in Type3 Composite Cylinder원문보기
CNG 차량에서 실사용 중 Type3 복합재료 압력용기의 외부 복합재 층에 결함이 발생된다면, 용기의 구조적 성능 즉, 원래의 설계수명보다 반복수명이 감소되는 현상을 초래할 수 있다. 이에 따라, 본 연구에서는 복합재 결함을 고려한 복합재료 압력용기의 유한요소 모델링과 해석 기법을 제시하였다. Type3 복합재료 압력용기의 유한요소해석은 자긴처리 공정에서 알루미늄 라이너의 소성 변형으로 인해 경로 의존적 현상을 보이므로, 실사용 중 결함이 발생되는 실제 환경을 고려한 해석에서 결함은 자긴압력 이후에 도입되어야한다. 이러한 상황의 사실적인 시뮬레이션을 위해, 해석의 중간단계에서 결함이 도입되는 유한요소 모델링과 해석 기법이 제시되었으며, 해석결과는 해석의 시작단계에서부터 모델에 초기결함을 내포하는 일반적 유한요소해석과 비교되었다. 제안된 해석 기업은 Type3 복합재료 압력용기의 복합재층 손상에 따른 영향성 평가 및 실사용 중에서의 검사 기준을 마련하는데 효과적으로 사용될 수 있다.
CNG 차량에서 실사용 중 Type3 복합재료 압력용기의 외부 복합재 층에 결함이 발생된다면, 용기의 구조적 성능 즉, 원래의 설계수명보다 반복수명이 감소되는 현상을 초래할 수 있다. 이에 따라, 본 연구에서는 복합재 결함을 고려한 복합재료 압력용기의 유한요소 모델링과 해석 기법을 제시하였다. Type3 복합재료 압력용기의 유한요소해석은 자긴처리 공정에서 알루미늄 라이너의 소성 변형으로 인해 경로 의존적 현상을 보이므로, 실사용 중 결함이 발생되는 실제 환경을 고려한 해석에서 결함은 자긴압력 이후에 도입되어야한다. 이러한 상황의 사실적인 시뮬레이션을 위해, 해석의 중간단계에서 결함이 도입되는 유한요소 모델링과 해석 기법이 제시되었으며, 해석결과는 해석의 시작단계에서부터 모델에 초기결함을 내포하는 일반적 유한요소해석과 비교되었다. 제안된 해석 기업은 Type3 복합재료 압력용기의 복합재층 손상에 따른 영향성 평가 및 실사용 중에서의 검사 기준을 마련하는데 효과적으로 사용될 수 있다.
Type3 cylinder is a composite pressure vessel fully over-wrapped with carbon/epoxy composite layers over an aluminum liner, which is the most ideal and safe high pressure gas container for CNG vehicles due to the lightweight and the leakage-before-burst characteristics. During service in CNG vehicle...
Type3 cylinder is a composite pressure vessel fully over-wrapped with carbon/epoxy composite layers over an aluminum liner, which is the most ideal and safe high pressure gas container for CNG vehicles due to the lightweight and the leakage-before-burst characteristics. During service in CNG vehicle, if a fiber cut damage occurs in outer composite layers, it can degrade structural performance, reducing cycling life from the original design life. In this study, finite element modeling and analysis technique for the composite cylinder with fiber-cut crack damage is presented. Because FE analysis of type3 cylinder is path dependant due to plastic deformation of aluminum liner in autofrettage process, method to introduce a crack into FE model affect analysis result. A crack should be introduced after autofrettage in analysis step considering real circumstances where crack occurs during usage in service. For realistic simulation of this situation, FE modeling and analysis technique introducing a crack in the middle of analysis step is presented and the results are compared with usual FE analysis which has initial crack in the model from the beginning of analysis. Proposed analysis technique can be used effectively in the evaluation of influence of damage on composite layers of type3 cylinder and establish inspection criteria of composite cylinder in service.
Type3 cylinder is a composite pressure vessel fully over-wrapped with carbon/epoxy composite layers over an aluminum liner, which is the most ideal and safe high pressure gas container for CNG vehicles due to the lightweight and the leakage-before-burst characteristics. During service in CNG vehicle, if a fiber cut damage occurs in outer composite layers, it can degrade structural performance, reducing cycling life from the original design life. In this study, finite element modeling and analysis technique for the composite cylinder with fiber-cut crack damage is presented. Because FE analysis of type3 cylinder is path dependant due to plastic deformation of aluminum liner in autofrettage process, method to introduce a crack into FE model affect analysis result. A crack should be introduced after autofrettage in analysis step considering real circumstances where crack occurs during usage in service. For realistic simulation of this situation, FE modeling and analysis technique introducing a crack in the middle of analysis step is presented and the results are compared with usual FE analysis which has initial crack in the model from the beginning of analysis. Proposed analysis technique can be used effectively in the evaluation of influence of damage on composite layers of type3 cylinder and establish inspection criteria of composite cylinder in service.
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문제 정의
본 연구에서는 Type3 복합재료 압력용기의 복합재층 손상에 따른 영향성을 평가하기 위해 영압력 이후에 인공결함을 가공하여 반복시험압력(최고충전압력)을 가하는 경로의존적 결함 모델을 제시하였으며, 처음부터 압력용기 자체에 인공결함이 존재하는 상태에서 해석이 진행되는 초기 결함 모델과의 비교를 통하여, 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 복합재층 외피에 복합재 결함(fiber cut damage) 을 고려한 복합재료 압력용기의 유한요소 모델링과 해석 기법을 제시하고자 한다.
결함은 깊이가 다른 두 개의 크기가 적용되었다. 이는 본 기법을 적용했을 시 결함 규격 중 압력용기의 구조적 성능에 지배적인 영향을 미치는 인자인 깊이의 차이에 따라 발생되는 현상을 분석하기 위한 목적이다.
제안 방법
이에 따라 실사용 중 결함이 발생되는 실제 환경을 고려하는 해석에서 결함은 자긴압력 이후에 도입되어 이한다. 이러한 상황의 사실적인 시뮬레이션을 위해, 해석의 중간단계에서 결함이 도입되는 유한요소 모델링과 해석 기법이 제시되었으며, 해석결과는 해석의 시작단계에서부터 모델에 초기 결함을 내포하는 일반적인 유한요소해석과 비교되었다.
하중 조건은 라이너의 내면에 내압조건을 부여하였으며, 내압에 의한 축방향 하중 부가를 위해 재료 강성이 0에 가까운 삼각판(dummy plate)을 모델링하여 압력에 의한 축방향 하중과 등가의 분포 히중을 부여하였다.
헬리컬층의 존재로 인해 원주방향으로 주기적 축대칭 조건을 부여하였으며, 라이너의 소성거동을 예측하기 위해 재료 비선형해석기법을 도입하였다 변위 경계 조건은 Fig. 4와 같다.
대상 데이터
본 연구에 사용된 용기는 사용압력 25.0 MPa, 내용적 130 리터(liter) 급의 천연가스차량용 복합재료 압력용기로서, Fig. 1에서 보는 바와 같이 Al6061-T6 소재의 이음매 없는 알루미늄 라이너에 T700급 탄소섬유/에폭시를 헬리컬(helical) 및 훕 (hoop) 와인딩으로 번갈아 감아 풀랩(full wrap)된 형식이다.
본 해석을 위해서 기본 8절점의 3차원 적층 고체요소를 사용하였다.
첫 번째 결함은 복합재층 총 두께의 14 %인 깊이 1.25 mm, 실린더부 총 길이의 5 %인 길이 25 mm의 크기가 적용되었으며, 두 번째 결함은 복합재층 총 두께의 44 %인 깊이 4 mm, 실린더부 총 길이의 5 %인 길이 25 mm의 크기가 적용되었다. 또한, 본 결함은 실린더부의 최외곽인 훕층에 위치하게 된다.
성능/효과
1) 결함 크기 1.25, 길이 25 mm: 경로의존적 결함 모델은 최고충전압력에서 결함부위의 복합재 손실로 인해 라이너가 하중을 더 많이 지탱하게 되면서 발생된 휨 효과로 상대적으로 응력이 낮게 발생하여 실제 역학적인 현상이 구현되는 반면, 초기 결함모델은 영압력에서 결함 부위의 복합재 손실로 인해 상대적으로 복합재층이 라이너를 적게 누름에 따라 결함부위의 압축응력이 타 부위 대비 낮게 발생하게 되며, 최고충전압력을 가했을 시 결함 부위의 응력이 타부위보다 높게 발생하여 실제 역학적인 현상이 구현되지 못하게 된다.
2) 결함 크기 깊이 4, 길이 25 mm: 경로의존적 결함모델은자긴압력에서 훕층의 응력이 적용된 섬유의 설계 인장강도 이하로 발생하여, 자긴처리 이후의 해석은 자긴압력의 영향을 반영한 해석 결과가 도출되지만, 초기 결함 모델은 자긴압력에서 훕층의 응력이 적용된 섬유의 설계 인장강도 이상으로 발생하여, 자긴처리 이후의 해석은자긴압력의 영향이 반영되지 못한 결과가 도출된다.
결론적으로, Type3 복합재료 압력용기는 자긴처리 공정 중 발생되는 내부 라이너의 소성변형에 의해 경로 의존적 해석 절차를 따르므로, 실사용 중 발생되는 결함에 따른 영향이 제대로 반영되기 위해서는 자긴처리 공정 이후에 결함이 도입되는 경로의존적 결함모델의 적용이 타당하다는 것을 알 수 있다. 그리고 제안된 해석 기법은 Type3 복합재료 압력 용기의 복합재층 손상에 따른 영향성 평가 및 실사용 중에서 검사기준을 마련하는데 효과적으로 사용될 수 있다.
후속연구
있다. 그리고 제안된 해석 기법은 Type3 복합재료 압력 용기의 복합재층 손상에 따른 영향성 평가 및 실사용 중에서 검사기준을 마련하는데 효과적으로 사용될 수 있다.
참고문헌 (7)
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박지상, 정상수, 정재한, "금속재 라이너를 갖는 복합재료 압력용기의 라이너 압축잔류응력을 고려한 반복수명 예측방법에 관한 연구," 한국복합재료학회지, 2006. Vol. 22, pp. 22-28.
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