[논문]복합재 압력용기의 스커트 치수 최적화 설계 연구

김준환; 신광복; 황태경

doi:10.3795/ksme-a.2013.37.1.031

[국내논문] 복합재 압력용기의 스커트 치수 최적화 설계 연구
Study of Size Optimization for Skirt Structure of Composite Pressure Vessel 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.37 no.1, 2013년, pp.31 - 37

김준환 (한밭대학교 기계설계공학전공) , 신광복 (한밭대학교 기계공학과) , 황태경 (국방과학연구소)

초록
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본 연구의 목적은 최적화 해석 기법을 이용하여 복합재 압력용기의 스커트 치수를 도출하는 것이다. 복합재 압력용기 스커트 최적화 해석은 부분문제 근사법을 사용하였으며, APDL(ANSYS Parametric Design Language)을 이용하여 해석의 모든 과정을 일괄처리하였다. 설계변수로는 압력용기 스커트 부위의 두께와 길이를 선정하였으며, 내압에 의해 발생하는 변위와 무게를 각각 목적함수로 하여 최적화 해석을 통해 최적의 스커트 치수를 도출하였다. 그 결과 복합재 압력용기의 스커트 무게를 최대 4.38% 절감할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study aims to find the optimal skirt dimensions for a composite pressure vessel with a separated dome part. The size optimization for the skirt structure of the composite pressure vessel was conducted using a sub-problem approximation method and batch processing codes programmed using ANSYS Parametric Design Language (APDL). The thickness and length of the skirt part were selected as design variables for the optimum analysis. The objective function and constraints were chosen as the weight and the displacement of the skirt part, respectively. The numerical results showed that the weight of the skirt of a composite pressure vessel with a separated dome part could be reduced by a maximum of 4.38% through size optimization analysis of the skirt structure.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, 본 연구에서는 복합재 압력용기의 스커트 치수 최적화 해석을 통해 경량화된 스커트 설계기법에 대해 연구를 수행하였다. 이때, 설계 변수는 스커트의 길이와 두께로 선정하였으며, 내압에 의해 발생하는 변위와 스커트 무게를 각각 목적함수로 하여 단계별 최적화 해석을 수행하였다.
본 연구에서는 돔 분리형 복합재 압력용기의 스커트 치수 최적화 해석을 수행하고 이를 바탕으로 최적설계 모델을 제시하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
이때, 돔, 원통부 그리고 스커트는 각각 따로 제작하여 접합하는 분리형 구조를 갖고 있다. 이는, 기존의 일체형으로 제작되는 복합재 압력용기에 비하여 비교적 취약한 구조를 가지므로 스커트 구조물을 적용함으로써 추력에 의한 축하중을 지지하는 역할뿐만 아니라 내압에 의한 돔과 원통부의 분리현상을 방지하고자 하였다. 이러한 형태의 압력용기는 Anthony A Yurko, ⁽¹⁰⁾ Francis Mard ⁽¹¹⁾등에 의해 연구된 사례가 있으며, 구조 및 열특성을 만족하는 것으로 확인되었다.

제안 방법

따라서, 본 연구에서는 복합재 압력용기의 스커트 치수 최적화 해석을 통해 경량화된 스커트 설계기법에 대해 연구를 수행하였다. 이때, 설계 변수는 스커트의 길이와 두께로 선정하였으며, 내압에 의해 발생하는 변위와 스커트 무게를 각각 목적함수로 하여 단계별 최적화 해석을 수행하였다. 또한, 복합재 압력용기의 스커트 치수 최적화 해석의 모든 프로세스는 APDL(ANSYS Parametric Design Language)을 이용한 일괄작업 파일(batch file)을 통해 수행하였다.
본 연구에 적용된 복합재 압력용기는 내압에 의한 원주방향 하중을 담당하는 원통부와 내압에 의한 축방향 하중을 담당하는 돔 그리고 추력에 의해 발생하는 축하중을 지지하는 스커트로 구성된다. 이때, 돔, 원통부 그리고 스커트는 각각 따로 제작하여 접합하는 분리형 구조를 갖고 있다.
12를 사용하여 수행하였다. 이때, 복합재 압력용기의 복합재 부분은 3차원 적층 솔리드 요소 Solid 46(3D layered structural solid) 을 사용하였으며, 접착부와 보스부는 3차원 솔리드 요소 Solid 45(3D structural solid)를 적용하였다. 복합재 압력용기의 유한요소 모델은 해석의 단순화를 위해 압력용기의 전방부 2°만을 고려한 순환대칭(cyclic symmetry) 모델을 적용하였다.
또한, 금속 보스 끝단은 반경 및 각도 방향의 변위 (Ur , Uθ=0)를 고정하고 축방향 하중을 분포 하중으로 변환하여 금속 보스 끝단에 적용하였다.
3은 복합재 압력용기의 구조해석을 위한 경계 및 하중조건을 나타낸다. 복합재 압력용기의 경계조건은 모델링 단면에 순환대칭 조건을 부여하였으며, 원통부 끝단은 압력용기 길이방향 (z-axis)에 대한 대칭 경계 조건을 부여하였다. 또한, 금속 보스 끝단은 반경 및 각도 방향의 변위 (U_r , U_θ=0)를 고정하고 축방향 하중을 분포 하중으로 변환하여 금속 보스 끝단에 적용하였다.
복합재 압력용기의 스커트 형상의 최적화 해석은 다음 세 단계를 통해 최적의 스커트 치수를 도출하였다.
Phase 2에서는 돔과 원통부의 접착체결로 인하여 발생하는 분리현상 방지를 위해 내압에 의한 변위를 목적함수로 하여 스커트 치수 최적화를 수행하였다. 이때, 설계변수 범위는 모터 케이스와의 관계를 고려하여 초기 스커트 치수에서 H₁은 ±1mm, L₁과 L₂는 ±10mm로 설계범위를 선정하였다.
스커트 치수 변화에 따른 복합재 압력용기의 최적화 해석은 초기 설계를 바탕으로 최적화 해석을 수행하였다. Fig.
(1) 복합재 압력용기의 스커트 치수 최적화 해석은 부분문제 근사법을 사용하였으며, 모든 해석 프로세스는 APDL을 사용하여 복합재 압력용기의 형상과 설계변수 등의 치수 변화를 자동으로 해석 과정에 반영되는 일괄작업 파일을 작성하여 수행되었다. 또한, 최적화 해석은 주어진 하중 조건에 변위 최소화와 무게 경량화를 위해 두 단계로 나누어 진행되었다.
(1) 복합재 압력용기의 스커트 치수 최적화 해석은 부분문제 근사법을 사용하였으며, 모든 해석 프로세스는 APDL을 사용하여 복합재 압력용기의 형상과 설계변수 등의 치수 변화를 자동으로 해석 과정에 반영되는 일괄작업 파일을 작성하여 수행되었다. 또한, 최적화 해석은 주어진 하중 조건에 변위 최소화와 무게 경량화를 위해 두 단계로 나누어 진행되었다. 첫 번째 단계에서는 스커트 구조물의 최적 치수를 얻기 위해 변위를 목적함수로 설정하여 해석을 수행하였으며, 두번째 단계에서는 스커트 무게 경량화를 위해 첫 번째 최적화 단계에서 얻은 스커트 변위를 제한 조건으로 설정하여 최적화 해석을 재수행하였다.
또한, 최적화 해석은 주어진 하중 조건에 변위 최소화와 무게 경량화를 위해 두 단계로 나누어 진행되었다. 첫 번째 단계에서는 스커트 구조물의 최적 치수를 얻기 위해 변위를 목적함수로 설정하여 해석을 수행하였으며, 두번째 단계에서는 스커트 무게 경량화를 위해 첫 번째 최적화 단계에서 얻은 스커트 변위를 제한 조건으로 설정하여 최적화 해석을 재수행하였다.
(3) 스커트 치수 최적화 및 분리형 구조설계를 통하여 초기 설계모델에 비해 우수한 구조적 성능을 확보하면서, 추가적으로 경량화 효과를 갖는 복합재 압력용기 스커트 구조물의 치수 최적화 설계기법을 제시하였다. 이 방법을 통해 얻어진 복합재 압력용기의 경량화는 추진제 탑재량 증가와 비행거리 향상 등의 이점이 있어 복합재 압력용기의 성능향상과 설계 완성도를 높이는데 기여할 것으로 판단된다.
또한, 스커트는 경량화 연구를 통해 전체 중량을 감소시키고 추진체계의 성능을 향상시킬 수 있는 잠재적인 요소이다. 본 연구에 적용된 복합재 압력용기는 기존 일체형 필라멘트 와인딩 복합재 압력용기와 달리, 돔부와 원통부가 각각 따로 제작되어 접합되는 분리형 구조로써, 스커트는 돔과 원통부의 분리현상을 방지하는 중요한 기능을 한다.
이는, 와인딩되는 섬유의 단면적이 일정하고 와인딩된 섬유가 등장력이라는 가정하에 식 (1)과 (2)를 통해 돔의 임의 위치에서의 적층 두께와 와인딩 각도를 도출할 수 있다. ⁽¹²⁾ 이에, APDL을 이용하여 섬유의 와인딩이 진행됨에 따라 변화되는 복합재 두께 및 와인딩 각도를 자동으로 계산할 수 있는 일괄 작업 파일을 코딩(coding)하였으며, 복합재 압력용기 모델에 자동적으로 부여되도록 하였다.
최적화 해석은 APDL로 작성된 로그파일(log file)을 사용하여 모든 해석 프로세스를 일괄처리 (batch processing)하였다. 이때, 로그파일은 Fig.
최적화 해석은 APDL로 작성된 로그파일(log file)을 사용하여 모든 해석 프로세스를 일괄처리 (batch processing)하였다. 이때, 로그파일은 Fig. 4와 같이 압력용기의 치수, 물성, 하중조건 등을 매개 변수화하였으며, 압력용기의 모델링, 유한요소 모델링, 해석이 자동으로 수행되도록 작성하였다.
복합재 압력용기 스커트 치수 최적화 해석을 위한 설계변수는 Fig. 8과 같이 스커트 두께(H₁) 와 스커트 길이(L₁, L₂)로 선정하였으며, APDL을이용하여 파라메트릭 설계(parametric design)를 수행하였다.
스커트 치수 변화에 따른 복합재 압력용기의 무게 최적화 해석은 Phase 2의 스커트 최적화 치수를 바탕으로 총 15번의 해석이 반복 수행되었다. 이때, 6번째 반복수행 단계에서 제한조건을 만족하면서, 가장 경량화된 스커트 치수가 도출되었다.

데이터처리

복합재 압력용기의 구조안전성 평가는 상용유한요소 해석프로그램인 ANSYS ver.12를 사용하여 수행하였다. 이때, 복합재 압력용기의 복합재 부분은 3차원 적층 솔리드 요소 Solid 46(3D layered structural solid) 을 사용하였으며, 접착부와 보스부는 3차원 솔리드 요소 Solid 45(3D structural solid)를 적용하였다.

이론/모형

복합재 압력용기의 유한요소 모델은 해석의 단순화를 위해 압력용기의 전방부 2°만을 고려한 순환대칭(cyclic symmetry) 모델을 적용하였다.
복합재 압력용기의 스커트 치수 최적화 해석 알고리즘은 부분문제 근사법을 통해 수행되었다. 이는 도함수가 아닌 오직 종속변수의 값을 필요로 하는 영계법(zero-order method)의 발전된 형태로서 광범위한 설계문제에 효과적으로 적용할 수 있는 일반적인 방법이다.
이때, 설계 변수는 스커트의 길이와 두께로 선정하였으며, 내압에 의해 발생하는 변위와 스커트 무게를 각각 목적함수로 하여 단계별 최적화 해석을 수행하였다. 또한, 복합재 압력용기의 스커트 치수 최적화 해석의 모든 프로세스는 APDL(ANSYS Parametric Design Language)을 이용한 일괄작업 파일(batch file)을 통해 수행하였다.

성능/효과

복합재 압력용기의 구조해석 결과 연소관의 원통부에서 섬유가 와인딩된 방향으로 최대 888MPa이 발생하여, 파손응력인 2,815MPa 이내로 구조강도 조건을 만족함을 확인하였다. 이때, 발생한 최대 변위는 보스부에서 2.
10은 Phase 3에서의 스커트 치수 최적화 해석 결과를 나타낸다. 이때, 설계 변수 H₁ =2.99(3)mm,L₁=26.36(26)mm 그리고 L₂=36.40(36)mm임을 확인하였으며 초기 설계된 스커트 치수보다 최대 4.38% 경량화된 복합재 압력용기 모델을 도출하였다.
9는 Phase 2에서의 스커트 치수 최적화 해석 결과를 나타낸다. Phase 2에서의 최적화 해석 결과 8번째 반복수행 단계에서 최대변위(D max)가 2.19mm로 가장 작게 나타났으며, 이때 스커트 치수는 H₁=2.99(3)mm, L₁=31.42 (31)mm 그리고 L₂=36.22(36)mm임을 확인하였다.
(2) 두 단계의 스커트 치수 최적화 해석을 통해 스커트 두께 H₁은 초기모델과 동일한 3mm가 도출되었으나, 스커트 길이 L₁은 35mm에서 26.36mm로 약 9mm 감소하였으며, 스커트 길이 L₂는 26.5mm에서 36.4mm로 약 9.5mm 증가하는 최적화 결과를 얻었다. 이는, 초기모델에 비해 동일한 하중조건에서 약 0.

후속연구

(3) 스커트 치수 최적화 및 분리형 구조설계를 통하여 초기 설계모델에 비해 우수한 구조적 성능을 확보하면서, 추가적으로 경량화 효과를 갖는 복합재 압력용기 스커트 구조물의 치수 최적화 설계기법을 제시하였다. 이 방법을 통해 얻어진 복합재 압력용기의 경량화는 추진제 탑재량 증가와 비행거리 향상 등의 이점이 있어 복합재 압력용기의 성능향상과 설계 완성도를 높이는데 기여할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	필라멘트 와인딩 구조물은 언제부터 적용되었는가?	필라멘트 와인딩(filament winding) 공법으로 제작되는 압력용기는 하중 전달방향으로 섬유를 집중적으로 보강함으로써 섬유강화 복합재(fiber reinforced composite)의 장점을 극대화한 구조물이다. (1) 이러한, 필라멘트 와인딩 구조물은 1950년도부터 로켓의 모터케이스와 압력용기에 적용되었으며, 1960년대부터는 섬유의 와인딩 패턴을 결정 하기 위한 연구가 진행되었다. 이에, 등장력 돔설계(isotensoid dome design), 평면 와인딩 돔 설계 (planar wound dome design) 그리고 와인딩의 안정성에 기반을 둔 설계(modified geodesic isotensile dome design) 등의 필라멘트 와인딩 설계기법이 제시되었다.
	필라멘트 와인딩 공법으로 제작되는 압력용기는?	필라멘트 와인딩(filament winding) 공법으로 제작되는 압력용기는 하중 전달방향으로 섬유를 집중적으로 보강함으로써 섬유강화 복합재(fiber reinforced composite)의 장점을 극대화한 구조물이다. (1) 이러한, 필라멘트 와인딩 구조물은 1950년도부터 로켓의 모터케이스와 압력용기에 적용되었으며, 1960년대부터는 섬유의 와인딩 패턴을 결정 하기 위한 연구가 진행되었다.

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상세보기
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상세보기
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원문보기 상세보기
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상세보기
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Yurko, A. A. and Esslinger, J. R., 2005, "Affordable High Performance Composite Case Rocket Motor Manufacturing," 41st AIAA/ASME/ SAE/ASEE Joint Propulsion Conference.
Mard, F., 1993, "Design, Manufacture and Test of the Composite Case for ERINT-1 Solid Rocket Motor," 29th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference.
Kim, C. U., Park, J. S., Hong, C. S. and Kim, C. G., 2000, "Analysis of Filament Wound Pressure Tank Considering Winding Angle Variation In Thickness Direction," Journal of Korean Society for Composite Materials, Vol. 13, No. 2, pp. 51-59.
ANSYS Training Manual 12.0, 2009.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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