본 논문에서는 열분해 및 삭마 환경의 복합재 구조물에 대한 열기계적 연계 해석을 수행하였다. 열분해 과정의 재료 밀도 감소, 기공 가스 확산, 흡열 반응 에너지와 삭마 과정에서의 표면 침식 효과 등을 고려하였다. 상용 유한요소 코드에 교차 연계 알고리듬을 적용하여 완전 연계된 열 해석 및 구조 해석 인터페이스를 구성하였다. 수치 실험을 통해서 탄소/페놀릭 복합재료의 기본적인 열분해 및 삭마 특성을 분석하였다. 특히, 화학적 및 기계적 삭마에 영향을 미치는 주요 인자에 따른 표면 침식량 등을 비교하였다. 또한, 열분해 과정의 수축 또는 팽창 변형도가 재료의 열기계적 거동에 미치는 영향도 검토하였다.
본 논문에서는 열분해 및 삭마 환경의 복합재 구조물에 대한 열기계적 연계 해석을 수행하였다. 열분해 과정의 재료 밀도 감소, 기공 가스 확산, 흡열 반응 에너지와 삭마 과정에서의 표면 침식 효과 등을 고려하였다. 상용 유한요소 코드에 교차 연계 알고리듬을 적용하여 완전 연계된 열 해석 및 구조 해석 인터페이스를 구성하였다. 수치 실험을 통해서 탄소/페놀릭 복합재료의 기본적인 열분해 및 삭마 특성을 분석하였다. 특히, 화학적 및 기계적 삭마에 영향을 미치는 주요 인자에 따른 표면 침식량 등을 비교하였다. 또한, 열분해 과정의 수축 또는 팽창 변형도가 재료의 열기계적 거동에 미치는 영향도 검토하였다.
A coupled thermomechanical analysis of composite structures in pyrolysis and ablation environments is performed. The pyrolysis and ablation models include the effects of mass loss, pore gas diffusion, endothermic reaction energy, surface recession, etc. The thermal and structural analysis interface ...
A coupled thermomechanical analysis of composite structures in pyrolysis and ablation environments is performed. The pyrolysis and ablation models include the effects of mass loss, pore gas diffusion, endothermic reaction energy, surface recession, etc. The thermal and structural analysis interface is based upon a staggered coupling algorithm by using a commercial finite element code. The characteristics of the proposed method are investigated through numerical experiments with carbon/phenolic composites. The numerical studies are carried out to examine the surface recession rate by chemical and mechanical ablation. In addition, the effects of shrinkage or intumescence during the pyrolysis process are shown.
A coupled thermomechanical analysis of composite structures in pyrolysis and ablation environments is performed. The pyrolysis and ablation models include the effects of mass loss, pore gas diffusion, endothermic reaction energy, surface recession, etc. The thermal and structural analysis interface is based upon a staggered coupling algorithm by using a commercial finite element code. The characteristics of the proposed method are investigated through numerical experiments with carbon/phenolic composites. The numerical studies are carried out to examine the surface recession rate by chemical and mechanical ablation. In addition, the effects of shrinkage or intumescence during the pyrolysis process are shown.
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문제 정의
본 논문에서는 열기계적 연계 해석을 통해 복합재 구조물의 열분해 및 삭마 특성을 확인하였다. 삭마 문제에 적합한 표면 침식 모형을 적용하였으며, 교차 연계(staggered coupling) 알고리듬을 도입하여 완전 연계 인터페이스를 구성하였다.
본 논문에서는 열분해 및 삭마 환경의 복합재 구조물을 위한 열기계적으로 완전 연계된 유한요소 해석을 수행하였다. 재료 표면 및 내부에서의 열기계적 특성을 고려한 열분해 및 삭마 모형을 이용하여 표면 침식에 따른 온도 및 응력 분포, 수축 또는 팽창 효과 등을 확인하였다.
열 보호 시스템에 사용되는 복합재료의 열분해 과정에서 발생할 수 있는 수축 또는 팽창 효과가 열기계적 거동에 미치는 영향을 살펴보았다. 이를 위해 3.
가설 설정
전체적인 경향을 확인하기 위해 직교 이방성 복합재료의 수축(-) 또는 팽창(+) 계수를 z1 = ±0.125, z3 = ±0.425로 가정하였다.
기계적 삭마 속도에 영향을 미치는 주요 인자로서 표면 침식 인자 a와 활성화 온도 qa를 고려하였다. 표면 침식을 야기하는 기공 압력의 크기를 결정하는 표면 침식 인자 b는 상수로 가정하였다(b = 1.0).
제안 방법
간단한 수치 해석을 통해 탄소/페놀릭 복합재료의 기본적인 열분해 및 화학적 삭마 특성을 확인하였다. 초기 재료, 열분해 및 숯 층에서의 재료 물성은 고온 환경 모사 실험 등을 통해 측정된 값을 사용하였다[10,11].
6 kPa)을 균일하게 분포시켰다. 기계적 삭마 속도에 영향을 미치는 주요 인자로서 표면 침식 인자 a와 활성화 온도 qa를 고려하였다. 표면 침식을 야기하는 기공 압력의 크기를 결정하는 표면 침식 인자 b는 상수로 가정하였다(b = 1.
기계적 삭마 진행에 영향을 미치는 주요 인자(a = 1.5x10-9 m/Pa·s, qa = 300 K) 범위의 타당성을 검토하기 위하여, 기존 문헌의 실험 결과와 비교하였다[12].
기본적인 수치 예제를 통해 탄소/페놀릭 복합 재료의 열분해 및 삭마의 주요 특성과 경향을 분석하였다. 열 유량이 매우 큰 열분해 및 삭마 환경에서는 매우 짧은 시간에 표면 온도가 급격히 상승하였다.
0 mm)을 총 6,000개의 이차원 사각형 요소 Q4를 사용하여 모형화하였다. 단순화된 일차원 삭마 모형을 설정하기 위해 좌우 및 하단에 대칭 경계 조건을 적용하였다. 주요 인자로서 열 유량(heat flux), 열분해 반응열(heat of pyrolysis), 산화 반응열(heat of oxidation)에 따른 열분해 및 화학적 삭마 경향을 대기권 재진입 환경의 모사 실험 결과와 비교하였다[12].
이를 위해서 시간 증분 단계에서 변위장과 온도장의 주요 변수인 절점의 위치, 온도, 기공 압력, 밀도 등의 교차 연계가 필요하다. 따라서 Supervisor V14.1 모듈에 교차 연계 알고리듬을 적용한 완전 연계된 열해석 및 구조 해석 인터페이스 SAM_SUP를 Fig. 3과 같이 설정 및 구축하였다.
4에 나타내었다. 또한, 열분해 및 화학적 삭마 특성을 집중적으로 분석하기 위해서 Fig. 5와 같이 본체 영역을 제외한 삭마 영역(W = 3.0 mm, H = 5.0 mm)을 총 6,000개의 이차원 사각형 요소 Q4를 사용하여 모형화하였다. 단순화된 일차원 삭마 모형을 설정하기 위해 좌우 및 하단에 대칭 경계 조건을 적용하였다.
본 논문에서는 열기계적 연계 해석을 통해 복합재 구조물의 열분해 및 삭마 특성을 확인하였다. 삭마 문제에 적합한 표면 침식 모형을 적용하였으며, 교차 연계(staggered coupling) 알고리듬을 도입하여 완전 연계 인터페이스를 구성하였다. 수치 예제를 통해 기본적인 열분해 및 삭마 경향을 실험 결과와 비교하였으며, 기계적 삭마 특성에 영향을 미치는 주요 인자에 따른 표면 침식량을 확인해 보았다.
삭마 문제에 적합한 표면 침식 모형을 적용하였으며, 교차 연계(staggered coupling) 알고리듬을 도입하여 완전 연계 인터페이스를 구성하였다. 수치 예제를 통해 기본적인 열분해 및 삭마 경향을 실험 결과와 비교하였으며, 기계적 삭마 특성에 영향을 미치는 주요 인자에 따른 표면 침식량을 확인해 보았다. 이와 함께 열분해 복합재료의 수축 또는 팽창 효과를 고려한 열기계적 연계 해석을 수행하였다.
26 mm의 차이를 보이며, 전체적인 경향은 유사하였다. 시간 경과에 따른 기계적 삭마 특성을 자세히 살펴보기 위해, Fig. 11과 같이 t = 30 s까지의 표면 침식량을 확인하였다. 최대 32.
재료 표면 및 내부에서의 열기계적 특성을 고려한 열분해 및 삭마 모형을 이용하여 표면 침식에 따른 온도 및 응력 분포, 수축 또는 팽창 효과 등을 확인하였다. 이를 위해서 교차 연계 알고리듬을 적용한 완전 연계된 열 해석 및 구조 해석 인터페이스를 설정하였다.
수치 예제를 통해 기본적인 열분해 및 삭마 경향을 실험 결과와 비교하였으며, 기계적 삭마 특성에 영향을 미치는 주요 인자에 따른 표면 침식량을 확인해 보았다. 이와 함께 열분해 복합재료의 수축 또는 팽창 효과를 고려한 열기계적 연계 해석을 수행하였다.
열분해 및 삭마 환경의 복합재 구조물에 대한 열기계적 거동 분석을 위해서는 재료 밀도 감소와 기공 가스 확산을 위한 Arrhenius 방정식 및 Darcy 방정식을 수축 또는 팽창 효과 등이 고려된 구성 방정식과 연계해서 다루어야 한다. 이와 함께 표면 침식 효과로서 화학적 삭마 및 기계적 삭마를 고려하였다.
본 논문에서는 열분해 및 삭마 환경의 복합재 구조물을 위한 열기계적으로 완전 연계된 유한요소 해석을 수행하였다. 재료 표면 및 내부에서의 열기계적 특성을 고려한 열분해 및 삭마 모형을 이용하여 표면 침식에 따른 온도 및 응력 분포, 수축 또는 팽창 효과 등을 확인하였다. 이를 위해서 교차 연계 알고리듬을 적용한 완전 연계된 열 해석 및 구조 해석 인터페이스를 설정하였다.
0 mm). 재료 표면에 열 유량(qs = 9.56 MW/m2), 기공 압력(pg = 0.45 MPa), 공기역학적 전단 응력(t = 7.6 kPa)을 균일하게 분포시켰다. 기계적 삭마 속도에 영향을 미치는 주요 인자로서 표면 침식 인자 a와 활성화 온도 qa를 고려하였다.
단순화된 일차원 삭마 모형을 설정하기 위해 좌우 및 하단에 대칭 경계 조건을 적용하였다. 주요 인자로서 열 유량(heat flux), 열분해 반응열(heat of pyrolysis), 산화 반응열(heat of oxidation)에 따른 열분해 및 화학적 삭마 경향을 대기권 재진입 환경의 모사 실험 결과와 비교하였다[12].
이론/모형
본 논문에서는 복합재 구조물의 열분해 및 삭마 특성 해석을 위하여 상용 유한요소 프로그램 SAMCEF Amaryllis V14.1을 이용하였다. Amaryllis는 이차원/축대칭 모형의 열분해 및 삭마 해석이 가능하며 대류, 복사 등의 열 경계 조건과 삭마 경계 조건을 적용할 수 있다.
유한요소법 기반의 표면 침식에 대한 수치 계산은 경계면을 이동시키고 침식 영역에 해당하는 메시를 재형성(remesh)하는 과정이 필요하다. 이를 위해서 절점 및 요소의 전체 개수는 일정하고 침식 경계면의 이동 속도가 온도와 밀도의 변화율에 따라서 결정되는 자유 메시 변형(free mesh deformation) 기법을 선택하였다. Fig.
탄소/페놀릭 복합재료의 기계적 삭마 특성을 확인하기 위해서 Fig. 5와 같은 형상의 유한요소 모형을 사용하였다(W = 30.0 mm, H = 50.0 mm). 재료 표면에 열 유량(qs = 9.
성능/효과
특히, 열분해 및 숯 층이 두께 방향으로 좁은 영역에서 형성되면서 내부로 침투하는 열을 효과적으로 차단하였다. 기계적 삭마에 영향을 미치는 주요 인자로서 표면 침식 인자 및 기공 압력이 클수록 삭마 속도가 증가하였다. 반면 활성화 에너지가 클수록 삭마 속도는 감소하였다.
또한, 열분해 과정의 재료 수축 또는 팽창 변형이 표면 침식량, 내부 응력 분포 등에 많은 영향을 줄 수 있다. 따라서 열분해 및 숯 층에 적합한 구성 방정식 개발과 유한요소 모형화, 신뢰성 있는 표면 침식 인자 적용, 다양한 재료 물성 확보 등이 중요한 요소임을 확인하였다.
14에 나타내었다. 수축 효과를 고려한 경우에는 최대 인장 응력이 96.35 MPa, 팽창 효과를 고려한 경우에는 최대 압축 응력 48.02 MPa이 매우 얇은 숯 층 영역에서 발생하는 것을 확인하였다. 이는 열분해 및 삭마 환경의 복합재 구조물이 초기에는 공기역학적 전단 응력에 지배적인 영향을 받지만, 반응이 지속됨에 따라 열분해 및 숯 층에서의 재료 강성 저하, 기공 압력 상승, 열팽창 효과 등이 복합적으로 작용하기 때문이다.
9에서 확인하였다. 전반적으로 활성화 온도가 낮을수록 기계적 삭마 속도가 크게 나타났다. 이는 활성화 온도가 기계적 삭마 속도에 영향을 미치는 기준 온도로서 삭마 수렴성에 영향을 주기 때문이다.
11과 같이 t = 30 s까지의 표면 침식량을 확인하였다. 최대 32.65 mm의 표면 침식이 발생하였으며, 표면 침식 인자 a에 따라 큰 차이를 보이는 것을 확인하였다. 그러므로 복합재 구조물의 기계적 삭마에 의한 표면 침식량을 정확하게 예측하기 위해서는 신뢰성 있는 표면 침식 인자의 산출이 중요하다.
68 mm이다. 탄소/페놀릭 복합재료는 매우 짧은 시간에 표면 온도가 급격히 상승하지만, 열분해 및 숯 층이 두께 방향으로 좁은 영역에서 형성되면서 내부로 침투하는 열을 효과적으로 차단함을 확인하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
삭마는 어떠한 현상인가
그 중에서도 삭마는 Fig. 1과 같이 열분해 과정에서 생성된 숯(char) 층의 일부가 표면 침식으로 인해 두께 방향으로 떨어져 나가는 중요한 현상이다[3,4]. 또한 열분해 및 숯 층에서의 기공압력, 기공 가스 확산, 재료의 수축(shrinkage) 또는 팽창(intumescence) 효과 등은 복합재 구조물의 열기계적 거동에 큰 영향을 미친다.
열 보호 시스템은 어떠한 메커니즘을 가지는가
열 보호 시스템은 기본적으로 열 흡수, 냉각, 표면 단열, 삭마라는 네 가지 메커니즘을 갖는다. 그 중에서도 삭마는 Fig.
우주선 표면및 로켓 추진 기관의 내부의 극격한 온도 상승은 어떠한 문제를 야기하는가
예를 들어 7 km/s 속도로 지구 대기권에 재진입하는 우주 왕복선의 경우, 비행체 선두부의 공기 온도가 7,000 K까지 상승할 수 있다. 급격한 온도 상승은 구조 재료의 열기계적 거동에 영향을 미치는 열분해(pyrolysis), 삭마(ablation) 환경을 야기한다. 구조물의 안전성을 높이기 위해서는 열에너지를 효과적으로 차단할 수 있는 열 보호 시스템 개발이 요구된다[1,2]
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