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열분해 및 삭마 환경의 복합재 구조물의 열기계적 연계 해석
Thermomechanical Analysis of Composite Structures in Pyrolysis and Ablation Environments 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.41 no.8, 2013년, pp.597 - 604  

최윤규 (Mechanical Engineering R&D Lab., LIG Nex1 Co., Ltd.) ,  김성준 (Department of Aerospace Engineering, Chonbuk National University) ,  신의섭 (Department of Aerospace Engineering, Chonbuk National University)

초록
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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.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

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 ...

주제어

AI 본문요약
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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).
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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]
질의응답 정보가 도움이 되었나요?

참고문헌 (12)

  1. Ahn, H. K., Park, C. and Sawada, K., "Response of Heatshield Material at Stagnation Point of Pioneervenus Probes," Journal of Thermophysics and Heat Transfer, Vol. 16, No. 3, 2002, pp. 432-439. 

  2. Shin, E. S., Kim, S. J. and Kim, J. I., "Coupled Thermal/Structural Analysis of Mechanical Ablation by Domain/Boundary Decomposition Method," Journal of The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol. 39, No. 1, 2011, pp. 1-8. 

  3. Yun, N.-G., Cho, Y.-J. and Jung, B., "Ablative Composite Materials for Rocket Propulsion System," Journal of The Korean Society for Composite Materials, Vol. 3, No. 2, 1990, 57-64. 

  4. Palaninathan, R. and Bindu, S., "Modeling of Mechanical Ablation in Thermal Protection Systems," Journal of Spacecraft and Rockets, Vol. 42, No. 6, 2005, pp. 971-979. 

  5. Koo, J. H., Ho, D. W. H., Bruns, M. C. and Ezekoye, O. A., "A Review of Numerical and Experimental Characterization of Thermal Protection Materials - Properties Characterization," AIAA 2007-2131. 

  6. Eekelen, T. V., Bouilly, J. M., Hudrisier S., Dupillier J. M. and Aspa, Y., "Design and Numerical Modelling of Charring Material Ablators for Re-Entry Applications," Proceedings of the 6th European Workshop on Thermal Protection Systems and Hot Structures, 2009. 

  7. Leleu, F., Dariol, L. and Bouilly, J. M., "Ablative Thermal Protections for Atmospheric Entry. An Overview of Past Missions and Needs for Future Programmes," Proceedings of the Sixth European Workshop on Thermal Protection Systems and Hot Structures, 2009. 

  8. Lee, S. J. and Reddy, J. N., "Non-linear Response of Laminated Composite Plates under Thermomechanical Loading," International Journal of Non-Linear Mechanics, Vol. 40, No 7, 2005, pp. 971-985. 

  9. Odabas, O. R. and Sarigul-Klijn, N., "Thermomechanical Coupling Effects at High Flight Speeds," AIAA Journal, Vol. 32, No. 2, 1994, pp. 425-430. 

  10. McManus H. L. N. and Springer G. S., "High Temperature Thermomechanical Behavior of Carbon-Phenolic and Carbon-Carbon Composites, II. Results," Journal of Composite Materials, Vol. 26, No. 2, 1992, pp. 230-255. 

  11. Sutton, K., "An Experimental Study of a Carbon/Phenolic Ablation Material," NASA TN D-5930, 1970. 

  12. Schneider, P. J., Dolton, T. A. and Reed G. W., "Mechanical Erosion of Charring Ablators in Ground-Test and Re-Entry Environments," AIAA Journal, Vol. 6, No. 1, 1968, pp. 64-72. 

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