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문제 정의
- 4번 시제는 자긴압력을 높이므로 너클 부위의 압축잔류응력을 몸통 부위만큼 증대시켜 피로수명을 향상하고자 하였다. 그러나 자긴압력을 증가시키면 몸통 부위에 과도한 소성변형이 발생하여 실온 압력 반복시험 결과에 오히려 부정적인 영향을 미칠 수있다.
- 본 연구에서는 이음매 없는 일체형 라이너를 갖는 복합재 압력용기의 팽창과 수축 시 라이너의 거동을 구조해석으로 모사하고 실험으로 검증하였다. 라이너의 피로수명을 향상하기 위한 자긴압력과 필라멘트 와인딩 패턴 설계방안을 제시하였으며 다음의 결론을 얻었다.
제안 방법
- (4) 라이너 너클 부위의 굽힘 거동과 압축잔류응력을 고려하여 복합재 압력용기의 피로수명을 향상 하는 자긴압력과 복합재 설계방안을 제시하고 실험으로 검증하였다.
- Table. 5와 같이 자긴압력과 복합재 패턴을 다르게 설계한 5개의 시제에 대한 실온 압력반복시험의 결과를 비교하였다.
- 본 연구에서는 사용압력 20. 7 MPa, 내용적 130 liter의 TYPE 3 용기를 개발하였으며 Al6061-T6 소재의 이음매 없는 알루미늄 라이너 전체를 T700 탄소섬유/에폭시 복합재로 필라멘트 와인딩하였다.
- Fig. 11과 같이 누수가 발생한 용기에서 복합재를 제거한 후 침투탐상검사(penetrant test)로 라이너의 너클 부위에서 크랙을 발견하고 시편을 채취한 후 파단면을 SEM(scanning electron microscope) 분석 하였다.
- Table 3과 같이 자긴압력, 0 압력, 서비스(또는 충전)압력, 시험압력, 최소요구 파열압력의 가압순서에 따라 재료 비선형해석을 수행하여 라이너의 응력 거동을 예측한다. 자긴처리 이후 서비스압력에서의 라이너 응력 거동을 분석하여 압력반복시험 시 구조적으로 취약한 부위를 예측할 수 있다.
- 본 연구에서 라이너 너클 부위는 몸통 부위와 달리 라이너의 내부와 외부에서 크랙(crack)이 생성되어 진전되다가 피로 파괴가 발생함을 발견하였다. 구조해석으로 이에 대한 라이너의 응력 거동을 모사하였으며 시험을 통해 검증하였다. 또한 너클 부위의 피로수명을 향상하기 위한 자긴압력과 필라멘트 와인딩 패턴 설계방안을 제시하고 시험을 통해 제안된 방법의 유효성을 검증하였다.
- 구조해석으로 이에 대한 라이너의 응력 거동을 모사하였으며 시험을 통해 검증하였다. 또한 너클 부위의 피로수명을 향상하기 위한 자긴압력과 필라멘트 와인딩 패턴 설계방안을 제시하고 시험을 통해 제안된 방법의 유효성을 검증하였다.
- 본 연구에서는 이음매 없는 일체형 라이너를 갖는 복합재 압력용기의 팽창과 수축 시 라이너의 거동을 구조해석으로 모사하고 실험으로 검증하였다. 라이너의 피로수명을 향상하기 위한 자긴압력과 필라멘트 와인딩 패턴 설계방안을 제시하였으며 다음의 결론을 얻었다.
- 항공우주․분야에서 1950년대부터 발사체 연료탱크의 경량화를 위해 개발된 복합재 압력용기는 천연 가스와 수소를 고압으로 저장하기 위한 차량용 연료 탱크에 적용되고 있다. 발사체 연료탱크에 적용되는 압력용기는 대부분 재사용의 필요가 없으므로 파열 압력에 중점을 두어 설계되지만[1,2] 차량에 탑재되는 복합재 압력용기는 오랜 기간 반복해서 충전하여 사용하므로 피로수명에 중점을 두어 개발한다.
- 실온 압력반복시험압력을 가압하고 제거할 때 라이너의 최대 변형률 해석 결과를 분석하였다. Fig.
- 섬유강화 복합재는 금속 라이너 보다 피로특성이 월등히 우수하므로 복합재 압력용기의 피로수명은 라이너에 의해 결정된다. 이에 금속 라이너의 피로 수명을 향상시키기 위해 자긴처리(autofrettage)를 적용하여 라이너에 압축잔류응력이 작용하도록 한다[3-5].
이론/모형
- 하중조건은 라이너의 내부에 균일한 압력을 부가한다. 유한요소 모델링 시 돔 부위의 헬리컬 와인딩을 표현하기 위해 돔 부위 곡면에 수직한 적층좌표계를 표현할 수 있는 3차원 적층고체 요소(3-dimensional layered solid element)를 사용 한다.
성능/효과
- (1) 구조해석 결과와 동일하게 실온 압력반복시험 결과 라이너의 너클 부위에서 누수가 발생하였다.
- (2) SEM 결과 너클 부위의 내부와 외부에서 각각 크랙이 발생하였다. 이는 구조해석 결과와 동일하게 압력반복시험 시 너클 부위를 중심으로 인장과 압축이 작용함을 의미한다.
- (3) 압력반복시험 시 너클 부위를 기준으로 몸통 부위는 수직운동을 하고 돔 부위와 보스 부위는 수평운동하므로 너클 부위는 자긴압력을 높여도 몸통 부위만큼 압축항복강도에 가깝게 압축잔류응력을 얻을 수 없음을 확인하였다.
- 5번 시제는 전체 복합재 두께가 유사한 3번 시제 보다 자긴압력을 13.9% 증가시킬 때 피로수명을 91.1% 향상할 수 있었다. 또한 동일한 자긴압력의 4번 시제 보다 헬리컬 와인딩의 두께를 91.
- 모든 시제는 너클 부위에서 누출이 발생하였으며 1~3번 시제의 결과를 비교하면 복합재 두께에 비례하여 라이너의 피로수명이 향상됨을 알 수 있다. 그러나 3번 시제는 2번 시제 보다 전체 복합재 두께가 48.4% 증가되었지만 피로수명은 겨우 4.4%만 향상되었다. 이는 동일한 자긴압력에 복합재 두께만 증가되므로 자긴처리 시 2번 시제 보다 라이너에 소성 변형이 작게 발생하였기 때문이다.
- 1% 향상할 수 있었다. 또한 동일한 자긴압력의 4번 시제 보다 헬리컬 와인딩의 두께를 91.8% 증가시킬 때 피로수명을 110.7% 향상할 수 있었다. 이를 통해 실온 압력반복시험 시 너클부위의 피로거동과 압축잔류응력을 고려할 때 라이너의 피로수명을 향상할 수 있음을 확인하였다.
- 모든 시제는 너클 부위에서 누출이 발생하였으며 1~3번 시제의 결과를 비교하면 복합재 두께에 비례하여 라이너의 피로수명이 향상됨을 알 수 있다. 그러나 3번 시제는 2번 시제 보다 전체 복합재 두께가 48.
- 본 연구에서 라이너 너클 부위는 몸통 부위와 달리 라이너의 내부와 외부에서 크랙(crack)이 생성되어 진전되다가 피로 파괴가 발생함을 발견하였다. 구조해석으로 이에 대한 라이너의 응력 거동을 모사하였으며 시험을 통해 검증하였다.
- 3% 감소되었다. 이는 자긴압력을 높여도 기대 만큼 너클 부위에 높은 자긴처리 효과를 얻을 수 없고 오히려 헬리컬 와인딩이 감소로 실온 압력반복시 험에 불리하게 작용하였음을 확인하였다.
- 이로 인해 라이 너에 작용하는 압축잔류응력은 감소하여 복합재 두께 증가 효과가 상쇄되므로 피로수명은 거의 향상되지 않았다. 이를 통해 너클 부위의 자긴처리 효과에 따라 라이너의 피로수명이 크게 영향을 받음을 확인 하였다.
- 7% 향상할 수 있었다. 이를 통해 실온 압력반복시험 시 너클부위의 피로거동과 압축잔류응력을 고려할 때 라이너의 피로수명을 향상할 수 있음을 확인하였다.
- 그러나 자긴압력을 증가시키면 몸통 부위에 과도한 소성변형이 발생하여 실온 압력 반복시험 결과에 오히려 부정적인 영향을 미칠 수있다. 이에 4번 시제는 2번 시제와 비교하여 후프 와인딩의 두께를 46.5% 증가시키고 헬리컬 와인딩은 12.9% 감소시키므로 몸통 부위에 과도한 소성변형이 발생하지 않도록 하고 너클 부위에는 높은 자긴 처리 효과를 유도하고자 하였으나 피로수명은 오히려 5.3% 감소되었다. 이는 자긴압력을 높여도 기대 만큼 너클 부위에 높은 자긴처리 효과를 얻을 수 없고 오히려 헬리컬 와인딩이 감소로 실온 압력반복시 험에 불리하게 작용하였음을 확인하였다.
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