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문제 정의
- 본 연구에서는 수소연료 자동차의 충전압력을 70MPa로 높게 유지하면서 저장용량을 130L로 키워 수소연료 차량의 주행거리를 500km 이상 확보할 수 있도록 원통형상의 알루미늄 라이너에 탄소섬유로 감은 복합소재 연료탱크의 최적설계를 다구찌 설계법과 FEM 해석법으로 수행하고자 한다.
제안 방법
- 다구찌 설계법에서 복합소재 가스연료탱크의 설계인자 모두를 고려하기는 어려우므로 Table 4처럼 대표적인 4인자 3수준의 직교배열 테이블을 사용하여 총 81개의 최적설계 모델을 9개로 축소하여 각각의 설계인자에 대한 최대응력과 복합소재 적층의 두께에 미치는 영향을 후프방향과 헤리컬방향에 대해 고찰하였다.
- 본 연구에서 고려한 130L의 저장용량과 70MPa의 충전압력을 갖는 수소연료 복합소재 저장탱크에 대한 최적설계를 유한요소법과 다구찌법으로 해석하였다. 복합소재 연료탱크의 강도안전성은 KS와 미국 DOT-CFFC 규격에서 제시한 자긴작업을 처리한 알루미늄 라이너의 항복강도를 95% 이하로 유지하고, 또한 응력비는 2.4를 초과해야 한다는 안전기준을 만족하는 고압가스 연료탱크에 대한 최적설계조건을 맞도록 도출하였다.
- 여기서 알루미늄 라이너의 소성변형 강도안전성을 획기적으로 높이기 위해서는 자긴작업(autofrettage process)을 실시해야 한다. 알루미늄 라이너에 대한 자긴작업을 처리한 후에 충전압력(filling pressure), 시험압력(test pressure), 최소파열압력(minimum required burst pressure)을 모두 고려하여 수소가스의 내압을 설정하고, 가스연료탱크의 FEM 강도안전성을 만족하는 최적설계를 다구찌법으로 수행하였다.
- 알루미늄 소재를 압출하여 제작한 내부용기 라이너의 외측면에는 탄소섬유 복합소재를 후프방향과 헤리컬방향으로 적층이 형성되도록 겹겹이 감아서 수소연료탱크의 강도안전성을 확보하였다. 본 연구에서 사용한 130L 저장용량의 알루미늄 압력용기에 대한 개략적인 설계치수는 Fig.
대상 데이터
- 2. Aluminum liner design model for 70MPa composite tank.
- 본 연구에서 설계한 수소가스 복합소재 연료탱크의 저장용량은 130L로 크고, 충전압력은 70MPa로 높다. 복합소재 연료탱크의 내부용기는 Table 1에서 제시한 고강도의 알루미늄 소재(6061-T6)로 압출 성형하여 강도안전성을 확보한다. 또한, Table 2는 FEM 강도해석과 다구찌의 최적설계에 필요한 탄소섬유 복합소재, T800-24K에 대한 물성치를 제시하고 있다.
- 본 연구에서 고려한 복합소재는 탄성강도, 강성도, 열응력, 단열특성 등이 대단히 우수한 탄소섬유(T800-24K)를 레진으로 접합한 물질로 가스연료탱크에 작용하는 70MPa의 가스압력을 충분히 견딜 수 있도록 설계되어야 한다. 복합소재는 가볍고 하중지지력이 대단히 우수하지만, 고가이기 때문에 항공기의 동체, 선박의 특수배관, 로켓트 추진체, CNG 연료탱크, 수소연료 연료탱크 등에 제한적으로 사용하고 있다[3].
- 본 연구에서 사용한 대표적인 FEM 해석모델은 Fig. 3에서 제시한 것처럼 복합소재 원통부의 알루미늄 라이너 두께, 복합소재 적층의 후프방향과 헤리컬방향으로 나타낸 적층두께를 각각 보여주고 있다. 복합소재 연료탱크의 최적설계를 위해 검증해야 하는 강도안전성에 연계된 FEM 해석을 위해서는 MARC[4]의 4절점 축대칭 솔리드 요소를 사용하였다.
- 본 연구에서 설계한 수소가스 복합소재 연료탱크의 저장용량은 130L로 크고, 충전압력은 70MPa로 높다. 복합소재 연료탱크의 내부용기는 Table 1에서 제시한 고강도의 알루미늄 소재(6061-T6)로 압출 성형하여 강도안전성을 확보한다.
이론/모형
- 3에서 제시한 것처럼 복합소재 원통부의 알루미늄 라이너 두께, 복합소재 적층의 후프방향과 헤리컬방향으로 나타낸 적층두께를 각각 보여주고 있다. 복합소재 연료탱크의 최적설계를 위해 검증해야 하는 강도안전성에 연계된 FEM 해석을 위해서는 MARC[4]의 4절점 축대칭 솔리드 요소를 사용하였다. 여기서 알루미늄 라이너의 소성변형 강도안전성을 획기적으로 높이기 위해서는 자긴작업(autofrettage process)을 실시해야 한다.
- 본 연구에서 고려한 130L의 저장용량과 70MPa의 충전압력을 갖는 수소연료 복합소재 저장탱크에 대한 최적설계를 유한요소법과 다구찌법으로 해석하였다. 복합소재 연료탱크의 강도안전성은 KS와 미국 DOT-CFFC 규격에서 제시한 자긴작업을 처리한 알루미늄 라이너의 항복강도를 95% 이하로 유지하고, 또한 응력비는 2.
성능/효과
- Figs. 4~6의 해석결과를 기반으로 복합소재 연료탱크에 대한 최적설계 모델을 5번으로 선정하면, 알루미늄 라이너의 강도안전성 95% 이하, 복합소재의 응력비 2.4를 초과하는 기준 모두를 만족하기 때문에 최적의 설계조건이라 할 수 있다. 여기에 탄소섬유의 적층두께를 얇게 설정해야 소재가격이 저렴해지고, 복합소재 연료탱크의 경량화에도 기여할 수 있다.
- 70MPa의 충전압력을 감당하는 자동차용 수소가스 복합소재 연료탱크에 대해 다구찌 설계법을 적용한 FEM 해석결과에 의하면, 응력비와 강도안전성 모두를 만족하는 최적의 설계조건은 내부탱크를 구성하는 알루미늄 라이너의 두께가 6.4mm이고, 탄소섬유로 감은 후프방향의 적층두께는 31mm, 헤리컬방향의 적층두께는 10.2mm로 선정하는 것이 바람직함을 알 수 있다.
- 그렇다고 알루미늄 라이너의 항복강도 95%보다 너무 낮게 설계기준을 설정하면 안전하기는 하지만, 만약 연료탱크에 가해지는 충전압력이 높아질 경우 라이너에는 높은 인장응력이 발생하기 때문에 오히려 강도안전성이 불안정해지는 결과를 초래한다. 따라서 다구찌 설계법으로 설정한 알루미늄 라이너에 대한 잔류응력을 제시한 Fig. 4의 해석결과를 기반으로 평가하면, 설계모델 3번은 항복강도 95%에 위치하여 가장 우수한 잔류응력 조건을 제시하지만, 실제에서는 알루미늄 소재의 기계적 특성을 항상 균일하게 제조할 수 없다는 현실을 감안하면 위험한 설계조건이 될 수 있다. 그러나, 설계모델 1번, 5번, 9번은 이러한 걱정을 안 해도 되는 적정한 설계모델이라 할 수 있다.
- 따라서 본 연구에서 선정할 수 있는 최상의 설계모델은 5번이고, 차선의 최적설계 해석모델로 1번과 9번으로 결정하는 것이 바람직하다. 즉, 130L의 저장용량과 70MPa의 충전압력을 갖는 복합소재 수소연료 저장탱크에서 알루미늄 라이너의 두께는 6.
- 4를 충분히 초과하는 것으로 나타났다. 따라서 탄소섬유(T800-24K)를 알루미늄 라이너의 외벽면에 후프방향과 헤리컬방향으로 적층이 형성되도록 감을 경우 복합소재의 강도안전성은 우수한 것으로 나타났다.
후속연구
- 즉, 복합소재 연료탱크의 위험성을 고려하여 강도안전성은 높게 유지하되, 탄소섬유의 가격이 대단히 고가인 점을 감안하여 탄소섬유의 무게는 가볍게 설계하는 것이 가장 합리적인 최적설계가 될 것이다.
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