[논문]복합재/AISI4340 이중구조 후육실린더의 구조적 거동 및 최적화

이경규; 김위대

doi:10.7234/kscm.2011.24.2.022

문제 정의

AISI4340강에 T300/5208, IM7/8552, IM7/PETI5 복합재와 같이 탄성계수가 다른 복합재 테이프가 자긴가공 전과 후에 감겨질 때 각각의 복합재 테이프가 AISI4340 후육실린더에 미치는 영향을 살펴보았다. 각각의 물성치는 Table 2와 같다.
하지만 현장에서 발생되어지는 많은 환경적 변수들과 가공 및 제작공법을 무시할 수 없기 때문에 이러한 조건들을 모사하여 해석을 실시하여야 하며 이러한 조건들은 선행 연구되어진 각각의 이론과 실험결과를 바탕으로 AISI434O 후육실린더와 복합재에 대한 공법 및 이론 등의 조합을 통하여 새로운 기법을 개발하여야 한다. 본 논문에서는 이러한 새로운 모델링 방법에 대한 검증과 복합재에 따라 달라지는 복합재/AIS14340 이중구조 후육실린더의 거동에 관해 고찰하여 향후 이중구조후육실린더의 최적 적층각 및 안정성을 확보하기위한 전초를 마련하였다. 본 연구를 위해서 상용프로그램인 MSC.
본 연구에서는 복합재/AIS14340 이중구조 후육실린더의자긴가공 공법과 복합재의 종류에 따라 달라지는 후육실린더의 두께방향 응력분포를 살펴보았다. 높은 내압을 견뎌야 하는 장축후육실린더는 주로 자긴가공 공법을 사용하여 왔다.

제안 방법

본래의 탄성계수값 보다 약 2배 정도의 값을 부여한 해석결과에서 AISI4340 후육실린더의 원주방향응력을 가장 많이 감소시켜 주었으나 복합재 부분에서 발생되는 원주방향응력은 가장 높은 것으로 나타났다. 그리고 복합재의 종류에 따른 변화를 살펴보기 위해 T30/5208, IM7/8552, IM7/PETI5를 사용하여 적층하였다. 그 중 탄성계수값이 가장 높은 T300/5208 복합재 테이프가 적층되었을 때 AISI4340 후육실린더에서 발생되는 원주방향 응력을 가장 많이 감소 시켜 주었다.
2005가 사용되었으며 자긴가공 후의 두께방향 응력 분포검증을 위하여 선행 연구된 이론식을 사용하여 Nastran 결과값과 상호 비교하였으몌 1-6] 복합재의 각도에 따라 달라지는 강성을 입력 값으로 얻기 위해 복합재 강성 및 적층 계산법 등을 선행연구결과로 하여 그 값을 도출 하였다[7-14J. 또한 각 공정을 거쳐 완성된 복합재/AISI4340 이중구조 후육실린더에 포의 발사를 모사한 내압을 가하여 AISI4340 실린더와 복합재 사이의 응력분포 및 거동을 살펴보았다. 이를 바탕으로 복합재 길이방향 탄성계수값의 변화를 주면서 AISI4340 후육실린더에 복합재의 탄성계수가 미치는 영향을 살펴보았으며 다양한 해석결과를 바탕으로 복합재/A1SI4340 이중구조후육실린더의 최적 적층각 도출을 위한 계기를 마련하였다.
Fig. 9는자긴가공된 AISI4340에 복합재테이프가 감겨져 발생되는 원주 방향의 응력 분포를 0 ~ 90。로 적층각을 바꾸어 가며 각층에서 나타나는 경향성을 살펴보았다. 90。로 적층이 된 경우에 AISI4340 후육실린더의 응력이 가장 낮게 나타나는 것을 확인할 수 있는데 이는 복합재의 탄성계수가 가장 높은 값을 가지는 90。적층각일 때 AISI4340 후육실린더에서 발생되는 원주 방향 내부압력을 가장 많이 감소시켜 주었으며 각 층(layer) 위치에 따른 분포는 일정한 것을 확인할 수 있었다.
본 논문에서는 이러한 새로운 모델링 방법에 대한 검증과 복합재에 따라 달라지는 복합재/AIS14340 이중구조 후육실린더의 거동에 관해 고찰하여 향후 이중구조후육실린더의 최적 적층각 및 안정성을 확보하기위한 전초를 마련하였다. 본 연구를 위해서 상용프로그램인 MSC.Nastran v.2005가 사용되었으며 자긴가공 후의 두께방향 응력 분포검증을 위하여 선행 연구된 이론식을 사용하여 Nastran 결과값과 상호 비교하였으몌 1-6] 복합재의 각도에 따라 달라지는 강성을 입력 값으로 얻기 위해 복합재 강성 및 적층 계산법 등을 선행연구결과로 하여 그 값을 도출 하였다[7-14J. 또한 각 공정을 거쳐 완성된 복합재/AISI4340 이중구조 후육실린더에 포의 발사를 모사한 내압을 가하여 AISI4340 실린더와 복합재 사이의 응력분포 및 거동을 살펴보았다.
높은 내압을 견뎌야 하는 장축후육실린더는 주로 자긴가공 공법을 사용하여 왔다. 이러한 공법은 복합재의 적층수를 줄여주는 주요한 공법이므로 본 해석에도 적용을 하였다. 우선 복합재의 적층각에 따른 응력분포를 살펴보았는데 90。적층각에서 AISI4340 후육실린더의 원주방향 응력이 가장 낮은 값을 보였지만 상대적으로 복합재 부분에서는 가장 높은 웅력값을 나타내었다 또한 탄성계수값을 달리하여 AISI4340 후육실린더에 미치는 영향을 살펴보았다.
또한 각 공정을 거쳐 완성된 복합재/AISI4340 이중구조 후육실린더에 포의 발사를 모사한 내압을 가하여 AISI4340 실린더와 복합재 사이의 응력분포 및 거동을 살펴보았다. 이를 바탕으로 복합재 길이방향 탄성계수값의 변화를 주면서 AISI4340 후육실린더에 복합재의 탄성계수가 미치는 영향을 살펴보았으며 다양한 해석결과를 바탕으로 복합재/A1SI4340 이중구조후육실린더의 최적 적층각 도출을 위한 계기를 마련하였다.
이러한 공법은 복합재의 적층수를 줄여주는 주요한 공법이므로 본 해석에도 적용을 하였다. 우선 복합재의 적층각에 따른 응력분포를 살펴보았는데 90。적층각에서 AISI4340 후육실린더의 원주방향 응력이 가장 낮은 값을 보였지만 상대적으로 복합재 부분에서는 가장 높은 웅력값을 나타내었다 또한 탄성계수값을 달리하여 AISI4340 후육실린더에 미치는 영향을 살펴보았다. 본래의 탄성계수값 보다 약 2배 정도의 값을 부여한 해석결과에서 AISI4340 후육실린더의 원주방향응력을 가장 많이 감소시켜 주었으나 복합재 부분에서 발생되는 원주방향응력은 가장 높은 것으로 나타났다.

대상 데이터

이를 통해 자긴가공 후 더 큰 내압에도 견딜 수 있게 설계할 수 있다. Fig. 8은 기존의 AISI4340강에두께 5mm® 제거한 후 T300/5208 테이프를 40층 감은 후 의원 주 방향 응력을 나타내며 본 해석에 사용한 T300/5208 tape의 두께는 0.125mm 이다. 자긴가공을 실시하지 않고 감은 경우에는 자긴가공을 실시하고 테이프를 감은 경우보다 AISI 4340강 의원 주 방향 응력이 다소 높은 것을 확인할 수 있으나 자긴가공을 실시한 후에 T300/5208 테이프를 감은 경우에는 AISI 4340강으로 만 구성된 값보다 약 150MPa 이상 그 값이 낮아진 것을 확인할 수 있다.
따라서 복합재/AISI43事) 이중후육 실린더에 미치는 자긴가공공법의 영향은 동일한 재료로 안전율을 높이기 위해서는 고려하는 것이 더 좋은 결과를 얻는 방법임을 알 수 있다. 본 해석 올 위해 사용한 요소는 MSCNASTRAN의 CQUAD4를 사용하였으며, 노드(盼de) 개수 및 요소(elegM) 수는 각각 1, 456 EA, 750EA 이다.
7은 AISI4340 후육실린더내에 발생되는 잔류응력올 이론식과 유한요소 해석 결과를 통해 샹호 비교한 그래프이며 유한요소해석 결과와 잘 일치함을 알 수 있다. 해석을 위해 사용한 모델은 내반경이 50mm이며 외반경이 80mm 이다. 또한 재료 물성치는 Table 1에 나타낸 값을 사용하였다.

이론/모형

같다. 자긴 압력의 제거에 의한 응력, 즉 탄성회복응력(elastic recovery stress)은 내경에서 -% 의 내압을 작용했을 때 발생하는 응력분포와 같으므로 Lame' 식으로부터 얻을 수 있다. 따라서 자긴압력, P.

성능/효과

그리고 복합재의 종류에 따른 변화를 살펴보기 위해 T30/5208, IM7/8552, IM7/PETI5를 사용하여 적층하였다. 그 중 탄성계수값이 가장 높은 T300/5208 복합재 테이프가 적층되었을 때 AISI4340 후육실린더에서 발생되는 원주방향 응력을 가장 많이 감소 시켜 주었다.
다양한 적층각에 따른 영향을 살펴보기 위해 [90/0J20, [90/ 55版, [90:扇로 적충각을 조합하여 해석을 실시한 결과 [9Oho 적충된 경우가 AISI4340 후육실린더의 원주방향 응력을 가장 많이 감소시켜 주었지만 반면에 반지름 방향에서 발생하는 압축응력이 가장 많이 발생하는 것을 알 수 있었다. 또한 AISI4340 후육실린더에서 감소된 응력은 복합재가 그 응력을 받아 AISI4340 후육실린더의 안정성을 높여주었다.
또한 AISI4340 후육실린더에서 감소된 응력은 복합재가 그 응력을 받아 AISI4340 후육실린더의 안정성을 높여주었다. 향후 다양한 실린더 모양 및 두께 그리고 내압 등의 변수를 고려하기 위하여 본 논문의 해석 결과를 토대로 원주방향 응력이 더 고려되어야 할 경우에는 90。적층을 반지름 방향 응력이 더 고려되어야 할 경우에는 0° 적층을 더 많이 고려하여 적층하는 것이 유리하다는 것을 알 수 있다.
탄성계수가 제일 큰 100%이상 더해진 값을 가질 때 A1S14340 후육실린더에서는 실린더에서 받는 압력을 많이 상쇄시켰지만 복합재 부분에서는 상대적으로 제일 높은 응력값을 가지게 되며 반지름 방향 응력에서는 가장 큰 압축응력이 발생된다. 또한 복합재 종류에 따른 AISI4340 후육실린더에 미치는 영향을 살펴보았는데 탄성계수 값이 가장 큰 T300/5208이 가장 좋은 결과 값을 가졌으며 Fig. 13, 14에서 확인할 수 있듯이 IM7/PET15, IM7/8552 순으로 A1S14340 후육실린더에서 받는 응력을 완화시켜 주었다. 각각의 물성치는 Table 2에 나타나 있으며, 복합재의 탄성 계수 값이 복합재/AISI4340 이중구조 후육실린더에 미치는 영향이 큰 것을 알 수 있다.
우선 복합재의 적층각에 따른 응력분포를 살펴보았는데 90。적층각에서 AISI4340 후육실린더의 원주방향 응력이 가장 낮은 값을 보였지만 상대적으로 복합재 부분에서는 가장 높은 웅력값을 나타내었다 또한 탄성계수값을 달리하여 AISI4340 후육실린더에 미치는 영향을 살펴보았다. 본래의 탄성계수값 보다 약 2배 정도의 값을 부여한 해석결과에서 AISI4340 후육실린더의 원주방향응력을 가장 많이 감소시켜 주었으나 복합재 부분에서 발생되는 원주방향응력은 가장 높은 것으로 나타났다. 그리고 복합재의 종류에 따른 변화를 살펴보기 위해 T30/5208, IM7/8552, IM7/PETI5를 사용하여 적층하였다.
125mm 이다. 자긴가공을 실시하지 않고 감은 경우에는 자긴가공을 실시하고 테이프를 감은 경우보다 AISI 4340강 의원 주 방향 응력이 다소 높은 것을 확인할 수 있으나 자긴가공을 실시한 후에 T300/5208 테이프를 감은 경우에는 AISI 4340강으로 만 구성된 값보다 약 150MPa 이상 그 값이 낮아진 것을 확인할 수 있다. 그 만큼 AIS科340강에서 받는 응력이 복합재에 전달이 되어 상대적으로 복합재 응력은 약 150MPa 정도 높아졌다.
9는자긴가공된 AISI4340에 복합재테이프가 감겨져 발생되는 원주 방향의 응력 분포를 0 ~ 90。로 적층각을 바꾸어 가며 각층에서 나타나는 경향성을 살펴보았다. 90。로 적층이 된 경우에 AISI4340 후육실린더의 응력이 가장 낮게 나타나는 것을 확인할 수 있는데 이는 복합재의 탄성계수가 가장 높은 값을 가지는 90。적층각일 때 AISI4340 후육실린더에서 발생되는 원주 방향 내부압력을 가장 많이 감소시켜 주었으며 각 층(layer) 위치에 따른 분포는 일정한 것을 확인할 수 있었다. 그리고 약 40 ~ 55。사이에서 AISI4340 후육실린더에 발생되는 응력이 감소하는 것을 알 수 있는데 Fig.

후속연구

일반적으로 장축후육실린더는 주로 높은 내압을 받는 압력 용기 및 관의 설계에 사용되어지는 자긴가공(autofrettage) 공법을 사용하여 내압을 견디게 설계하여 왔다. 복합재가 감겨진 장축후육실린더의 경우 고 비용의 실험 비용이 발생되기 때문에 사전에 많은 문헌 조사 및 이론적 검증을 통해 그 타당성을 검증한 후에 실험이 이루어진다면 많은 비용을 절감할 수 있을 것이다. 따라서 해석적 기법의 접근은 이러한 어려움을 극복하기 위해 반드시 필요한 과정이다.
본 연구결과를 통해 향후 복합재가 감겨진 이중구조 장축후육실린더의 최적 적층각 및 후육실린더 내에서 발생하는 응력 완화 방법을 모색할 수 있는 계기를 마련하였다.
따라서 해석적 기법의 접근은 이러한 어려움을 극복하기 위해 반드시 필요한 과정이다. 하지만 현장에서 발생되어지는 많은 환경적 변수들과 가공 및 제작공법을 무시할 수 없기 때문에 이러한 조건들을 모사하여 해석을 실시하여야 하며 이러한 조건들은 선행 연구되어진 각각의 이론과 실험결과를 바탕으로 AISI434O 후육실린더와 복합재에 대한 공법 및 이론 등의 조합을 통하여 새로운 기법을 개발하여야 한다. 본 논문에서는 이러한 새로운 모델링 방법에 대한 검증과 복합재에 따라 달라지는 복합재/AIS14340 이중구조 후육실린더의 거동에 관해 고찰하여 향후 이중구조후육실린더의 최적 적층각 및 안정성을 확보하기위한 전초를 마련하였다.

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