[논문]복합모델을 이용한 CNG 복합재 압력용기 최적설계

배준호; 이현우; 김문생; 김철

doi:10.7736/kspe.2012.29.9.1012

복합모델을 이용한 CNG 복합재 압력용기 최적설계
Optimal Design for CNG Composite Vessel Using Coupled Model with Liner and Composite Layer 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.29 no.9, 2012년, pp.1012 - 1019

배준호 (부산대학교 기계공학부) , 이현우 (부산대학교 기계기술연구원) , 김문생 (부산대학교 기계공학부) , 김철 (부산대학교 기계기술연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, CNG composite vessel is analyzed by using coupled model with liner and composite layer. For the coupled model, a method using theoretical analysis and FEA is suggested: elastic solution for laminated tube is used for theoretical analysis of the composite vessel, FEA is performed to the model of CNG composite vessel in actual conditions. On the basis of these results, optimal thickness and winding angle of the composite layer considering the material properties and thickness of the liner are determined. The results of theoretical analysis and FEA are compared with those carried out in previous studies for verifying the suggested analysis method.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

가설 설정

라이너는 Von-Mises 최대 유효응력과 항복응력(840 MPa)을 비교하여 파손여부를 판단하며, 와인딩된 복합재층의 경우에는, 현장 경험을 토대로 Eglass/expoy 복합재 자체가 파손에 견딜 수 있는 응력 상태의 약 12% 수준의 응력 상태에서 섬유 사이의 가스 누출이 발생하여 파열된다고 가정하였다. 이에, 복합재층의 경우 파열이 일어나는 TsaiHill 값 1 의 12% 수준인 0.
N 개의 층으로 이루어진 적층 구조이며, 실린더 내부 반경은 R_I, 외부 반경은 R_O 이다. 복합재층은 직교이방성 물질로, 층과 층의 접촉 조건은 완전 접착(Perfect bonding)으로 가정하였다.

제안 방법

본 연구에서는 CNG 복합재 압력용기에서 라이너와 복합재층을 함께 고려한 복합 모델에 대한 이론적 해석 및 FEA 를 이용한 해석 기법을 제시하고, 제시된 해석 기법을 바탕으로 라이너의 물 성치 및 두께가 고려된 복합재층의 최적의 적층 각도 및 두께를 결정하고, 기존 연구에서 파열 시험을 수행하여 측정된 파열압력을 비교함으로써 해석기법의 신뢰성을 검증하였다.
본 연구에서는 등방성 물질(Isotropic material)과 직교이방성 물질(Orthotropic material)로 각각 가정한 라이너와 복합재층으로 이루어진 다층 구조의 복합모델에 대한 이론적 해석 및 FEA 를 이용한 해석기법을 제시하고, 해석 결과를 바탕으로 라이너의 물성치 및 두께가 고려된 복합재층의 최적의 두께 및 적층각도를 결정하였다. 또한, 기존 연구에서의 CNG 복합재 압력용기 파열실험 결과 3와 본 연구에서 제시한 해석기법에 의한 결과를 비교·고찰 하여 신뢰성을 검증하였다.
4 mm, 5 mm, 4 mm 일 때의 해석결과를 기존 모델과 비교하여 Table 4 에 나타내었다. 압력용기에 관한 안전관리기준에 근거하여 상용압력의 1.25 배(25.872 MPa)를 가했을 때, 라이너와 복합재층 모두가 항복응력 이하의 안전한 응력값을 가지는 복합재층의 두께들 중에서 최소 두께를 최적값으로 결정하였다.
라이너는 Von-Mises 최대 유효응력과 항복응력(840 MPa)을 비교하여 파손여부를 판단하며, 와인딩된 복합재층의 경우에는, 현장 경험을 토대로 Eglass/expoy 복합재 자체가 파손에 견딜 수 있는 응력 상태의 약 12% 수준의 응력 상태에서 섬유 사이의 가스 누출이 발생하여 파열된다고 가정하였다. 이에, 복합재층의 경우 파열이 일어나는 TsaiHill 값 1 의 12% 수준인 0.12 를 파열이 일어나는 값으로 정하였다.
적층 각도에 따른 복합재 압력용기의 응력 해석을 수행하였다. 기존 모델의 적층각도인 90°를 기준으로 적층 각도를 5°간격으로 변화시켜가며 라이너 부분과 복합재층 부분의 응력 해석 및 파손 여부를 분석하여 그 결과를 Table 3 에 나타내었다.

대상 데이터

4 에 나타내었다. 해석 모델은 축 대칭 모델 (총 요소의 수: 5188 개) 을 사용하였으며, 돔 부분과 실린더 부분으로 구분된다. 또한, 경계조건은 실제 자동차용 CNG 복합재 고압용기에 적용되는 조건과 동일하게 Table 5 에 나타낸 물성치를 갖는 라이너(34CrMo4) 내부 표면에 축 대칭의 균일한 내압 25.

데이터처리

또한, 기존 연구에서의 CNG 복합재 압력용기 파열실험 결과 3와 본 연구에서 제시한 해석기법에 의한 결과를 비교·고찰 하여 신뢰성을 검증하였다.

이론/모형

복합모델을 이용한 복합재 압력용기의 이론적 해석을 위하여 Fig. 3 과 같이 적층 구조의 원형 실린더 모델(Laminated tube)을 사용하였다. 하중 조건은 오직 실린더의 내부에 축 대칭의 일정한 내압 (P_I) 만이 작용하며 온도 변화는 고려하지 않았다.

성능/효과

(1) 라이너와 복합재층이 함께 고려된 복합모델에 대한 해석기법을 제시하고, 복합재층의 최적의 적층각도(85°) 및 두께(5 mm)임을 알 수 있었다.
(2) 적층 각도를 85°, 복합재층의 두께를 5 mm 로 할 경우, 고압가스 안전관리기준에서 요구하는 내압(25.872 MPa)에서 안전하다.
(3) 본 연구에서 제시된 이론적 해석에 의한 파열압력(55.872 MPa) 및 FEA 에 의한 파열압력 (60.872 MPa)은 기존 연구에서의 파열압력 (실험 결과) 61.8 MPa 과 비교하여 약 1.5%~9.5%의 오차를 나타내므로 비교적 잘 일치한다.
12)으로 파열이 일어나지 않음을 보여준다. 40.872~50.872 MPa 의 내압이 작용할 경우, 라이너 부분의 유효응력은 항복응력보다 큰약 1,268~1,586 MPa 의 응력분포는 나타내었으나, 복합재층 부분에서는 Tsai-Hill 값이 0.12 보다 작은 약 0.06~0.08 의 Tsai-Hill 값을 나타내었다. 이에, 라이너에서는 파손이 일어나지만 가스누출에 따른 복합재층에서의 파열은 일어나지 않는 것으로 판단된다.
FEA 결과, 라이너 부분의 유효 응력은 814.21 MPa, Tsai-Hill 값은 약 0.26939 로 안전함을 알 수 있었다.
Table 2 의 결과를 토대로, 고압가스 안전관리 기준인 상용압력의 1.25 배의 내압(25.872 MPa)에서, 기존 CNG 복합재 압력용기의 라이너 부분의 유효 응력은 801.392 MPa (< 840 Mpa 항복응력), Tsai-Hill 값은 0.026983 (< 0.12)으로 파열이 일어나지 않음을 보여준다.
이론적 해석 및 FEA 에 의한 파열 압력은 각각 55.872 MPa, 60.872 MPa 로, 기존 연구의 파열압력(실험결과) 61.8 MPa 과 비교하여 약 1.5%~9.5%의 오차를 나타내므로 비교적 잘 일치한다. 이에 본 연구에서 제시한 CNG 복합재 압력용기에 대한 해석기법은 신뢰성이 있음을 알 수 있다.
5%의 오차를 나타내므로 비교적 잘 일치한다. 이에 본 연구에서 제시한 CNG 복합재 압력용기에 대한 해석기법은 신뢰성이 있음을 알 수 있다.

후속연구

본 논문에서 제시한 CNG 복합재 압력용기에 대한 이론적 해석과 FEA 를 이용한 해석 기법은 다양한 조건 하에서의 복합재 압력용기 연구에 널리 적용될 수 있을 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	필라멘트 와인딩 압력용기의 이점은 무엇인가?	복합재료를 이용하여 제작되는 필라멘트 와인딩 압력용기는 기존의 금속압력용기에 비해 무게가 가벼우면서 강한 내식성을 가지고 있다. 또한, 파괴 양상에 있어서 기존의 금속 압력용기의 경우 급격한 폭발 형태인 반면, 필라멘트 와인딩 압력용기는 내부 기체의 누출 형태의 파괴가 이루어지기 때문에 파괴 안정성 대한 장점을 가지고 있다.
	본 연구에서 FEA 를 이용한 해석 결과는 어떻한가?	(1) 라이너와 복합재층이 함께 고려된 복합모델에 대한 해석기법을 제시하고, 복합재층의 최적의 적층각도(85°) 및 두께(5 mm)임을 알 수 있었다. (2) 적층 각도를 85°, 복합재층의 두께를 5 mm 로 할 경우, 고압가스 안전관리기준에서 요구하는 내압(25.872 MPa)에서 안전하다. (3) 본 연구에서 제시된 이론적 해석에 의한 파열압력(55.872 MPa) 및 FEA 에 의한 파열압력 (60.872 MPa)은 기존 연구에서의 파열압력 (실험 결과) 61.8 MPa 과 비교하여 약 1.5%~9.5%의 오차를 나타내므로 비교적 잘 일치한다.
	섬유강화 복합재료의 장점은 무엇인가?	섬유강화 복합재료(FRP)는 일반 금속재료에 비해 비강성(Specific stiffness)과 비강도(Specific strength)가 높고 내식성과 내피로성 등이 우수한 기계적 성질을 나타내므로 구조물의 경량화가 요구되는 여러 산업분야에서 널리 사용되고 있는 추세이다.1,2 이러한 복합재료의 제조 공법 중 필라멘트 와인딩 공법은 실린더 형태의 구조물 제작에 매우 유리한 특성을 가지고 있으므로 경량화 · 고내압이 요구되는 압력용기에 응용되고 있다.

참고문헌 (9)

Fukunaga, H. and Chou, T.-W., "Simplified Design Techniques for Laminated Cylindrical Pressure Vessels under Stiffness and Strength Constraints," Journal of Composite Materials, Vol. 22, pp. 1156- 1169, 1998.
Kim, E. S., Kim, J. H., Park, Y. S., Kim, C., and Choi, J. C., "Development of an Automated Design System of CNG Composite Vessel using Steel Liner Manufactured by D.D.I Process," J. of the KSPE, Vol. 20, No. 1, pp. 205-213, 2003.
Choi, J. C., Kim, C., and Jung, S. Y., "Development of an automated design system of a CNG composite vessel using a steel liner manufactured using the DDI process," Int. J. Adv. Manuf. Technol., Vol. 24, pp. 781-788, 2004.

상세보기
Rosato, D. V. and Grove, C. S., "Filament Winding: its development, manufacture, applications, and design," John Wiley & Sons Inc., pp. 216-248, 1964.
Lark, R. F., "Recent Advances in Lightweight Filament-Wound Composite Pressure Vessel Technology," ASMEPVP-PB-021, pp. 17-50, 1977.
Herakovich, C. T., "Mechanics of Fibrous Composites," John Wiley & Sons Inc., pp. 58-61, 314-316, 362-379, 1998.
Fung, Y. C., "Foundations of Solid Mechanics," Prentice-Hall, p. 114, 1965.
Hill, R., "The Mathematical Theory of Plasticity," Oxford University Press, 1950.
Tsai, S. W., "Strength Theories of Filamentary Structures, in: Schwartz, R. T. and Schwartz, H. S. (Eds.), Fundmental Aspects of Fiber Reinforced Plastic Composites," Wiley Interscience, pp. 3-11, 1968.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증