[논문]Type3 복합용기 설계 파열압에 관한 실증연구

김창종; 조성민; 김은정; 윤기봉

doi:10.7842/kigas.2013.17.3.20

Type3 복합용기 설계 파열압에 관한 실증연구
An Empirical Study on the Designed Burst Pressure of Type3 Composite Cylinder 원문보기

한국가스학회지 = Journal of the Korean institute of gas, v.17 no.3, 2013년, pp.20 - 26

김창종 (한국가스안전공사 가스안전연구원) , 조성민 (한국가스안전공사 가스안전연구원) , 김은정 (한국가스안전공사 가스안전연구원) , 윤기봉 (중앙대학교)

초록
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본 연구에서는 수압파열시험 장비를 이용하여 Type3 복합용기의 설계 파열압력에 관한 실증연구를 수행하였다. 고압가스를 저장할 수 있는 6.8L급 사용압 31MPa Type3 복합용기에 대한 유한요소 설계해석을 통하여 파열압을 예측하였고 해석의 정확성을 확인하기 위하여 수압파열시험을 3회 실시하였다. 파열시험설비는 수압으로 최대 400MPa까지 가압이 가능한 장비를 활용하였다. 해석으로 예측된 소형 복합용기의 설계 파열압과 실제 파열시험 결과를 비교한 결과, 값의 차이는 4% 이내로 나타났다. 이를 통하여 해석기법의 신뢰성을 확인하였으며, 본 실증에서 검증된 해석기법을 복합용기의 안전성 확보를 위한 국내인증 및 제품검사에 적용할 예정이다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this research, an empirical study on the designed burst pressure of Type3 composite cylinder was performed by hydrostatic burst test equipment. The designed burst pressure of Type3 composite cylinders, which are 6.8 liter and 31 MPa of service pressure, was estimated with the analysis using the finite element method. In order to confirm its accuracy, the burst test of small Type3 composite cylinders was perfomed through three times. The burst test equipment can pressurize to 400 MPa. As a result of comparison between the designed burst pressure and actual burst pressure, the difference was less than 4 percentage. With a test result, the analysis accuracy was verified. This technique will be applied to both qualification and inspection for the composite cylinder.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 국내·외에서 개발 중인 자동차에 장착되는 Type3 복합용기의 안전성 평가 기술 중 파열성능 평가기술 개발을 목적으로, 고압가스 저장용 소형 Type3 복합용기에 대하여 유한요소 해석을 이용하여 파열압을 예측하였고 해석의 신뢰성을 검증하기 위하여 파열시험을 수행하여 그 결과를 비교함으로써 해석기법의 신뢰성을 평가하였다.
본 연구에서는 복합용기의 안전성 평가기술을 개발하기 위하여 Type3 복합용기의 설계 파열압력에 관한 실증연구를 수행하였다. 고압가스를 저장할 수있는 6.

제안 방법

Type3 복합용기에 대한 유한요소해석과 실제 파열시험을 통하여 용기의 파열형상을 확인하였고 압력을 비교하여 해석에 대한 신뢰성을 검증하였다.
본 연구에서는 복합용기의 안전성 평가기술을 개발하기 위하여 Type3 복합용기의 설계 파열압력에 관한 실증연구를 수행하였다. 고압가스를 저장할 수있는 6.8L급 사용압 31MPa Type3 복합용기에 대한 유한요소 설계해석을 통하여 파열압을 예측하였고 해석의 정확성을 확인하기 위하여 수압파열시험을 3회 실시하였다. 그 결과는 다음과 같다.
해석은 용기의 도면을 바탕으로 축방향층에 적합한 주기적인 원주방향 축대칭 조건을 부여하였다. 그리고 이방성 재료의 특성을 정확히 구현하기 위해 원주방향 및 축방향의 측을 따로 두께를 구현하고 섬유 랩핑 각도를 실제 품과 동일하게 부여하였다.
Type3 복합용기의 경우, 용기의 특성상 제조공정에서 반복수명을 증가시키기 위하여 소성영역 이상의 압력을 용기에 인가하는 자긴압력(Autofrettage Pressure) 처리를 실시하기 때문에 자긴압력을 가압한 이후부터 내부 라이너 변위와 가해지는 압력과의 비례관계가 변하게 된다. 따라서 압력변화에 따른 라이너의 소성변형을 예측하기 위하여 재료에 대한 비선형 해석기법을 도입하였다. 자긴압력은 Table 4의라이너 물성을 토대로 재료의 소성영역을 넘어간 것을 확인하였다.
Type3 복합용기에 대한 유한요소해석과 실제 파열시험을 통하여 용기의 파열형상을 확인하였고 압력을 비교하여 해석에 대한 신뢰성을 검증하였다.
25배이상되어야 하며 어느 경우에도 규정된 응력비의 값보다 작어서는 실패가 된다. 시험시료에 대하여 실제 가스를 사용하여 파열시험을 실시하면 가스의 특성상 위험성과 제어의 어려움 및 누출되었을 때 정확한 위치파악의 어려움이 있으므로 비압축성 유체인 물을 사용하여 가압하였다.
해석 및 모델링 프로그램은 ABAQUS와 PATRAN 을 이용하여 복합용기의 응력해석을 수행하였다. 실제와 유사하면서도 간략한 모델링을 위해 Fig. 2와같이 응력이 집중되는 용기의 몸통부위만을 형상화 하였으며 내부에서부터 라이너층, 축방향층, 원주방 향층 순으로 형상화 하였다. 해석은 용기의 도면을 바탕으로 축방향층에 적합한 주기적인 원주방향 축대칭 조건을 부여하였다.
와인딩 각도는 용기의 종방향이 0° 원주방향이 90°로서, 돔(dome)부위 보강을 위해 용기의 종방향에 대하여 섬유가 90° 이하의 각도로 감기는 축방향 와인딩을 한 뒤, 돔부위 대비 상대적 두께 차이로 강도 저하가 예상되는 실린더부위의 보강을 위해 90°의 원주방향 와인딩을 수행하였다.
유한요소 해석을 통하여 국내에서 제작된 사용압 31MPa 6.8L급 Type3 복합용기의 설계 파열압을 예측하였고, 3개의 용기를 실제로 파열하여 예측된 파열압과 실제시료의 파열압을 비교하여 해석결과를 검증하였다.
가압속도가 빠를 수록 상대적으로 낮은 압력에서 파열되었다. 이 결과를 통하여 용기의 파열시험 시 가압속도가 파열압에 미치는 영향을 확인하였다.
2와같이 응력이 집중되는 용기의 몸통부위만을 형상화 하였으며 내부에서부터 라이너층, 축방향층, 원주방 향층 순으로 형상화 하였다. 해석은 용기의 도면을 바탕으로 축방향층에 적합한 주기적인 원주방향 축대칭 조건을 부여하였다. 그리고 이방성 재료의 특성을 정확히 구현하기 위해 원주방향 및 축방향의 측을 따로 두께를 구현하고 섬유 랩핑 각도를 실제 품과 동일하게 부여하였다.

대상 데이터

본 연구에 사용된 용기는 사용압력 31MPa, 내용적 6.8리터의 고압가스 저장용 Type3복합용기로서 Fig. 1에서 보는바와 같이 Al6061-T6 소재의 이음매 없는 알루미늄 라이너(liner)에 T700급 탄소섬유/에폭시를 축방향 및 원주방향 와인딩(winding)으로 번갈아 감아 풀랩(full wrap)된 형식이다. Fig.

데이터처리

해석 및 모델링 프로그램은 ABAQUS와 PATRAN 을 이용하여 복합용기의 응력해석을 수행하였다. 실제와 유사하면서도 간략한 모델링을 위해 Fig.

이론/모형

파열압 예측을 위한 해석은 정확한 해석을 위해 3차원 요소기법을 사용하였으며, 재료 및 기하학적 비선형 해석을 실시하였다. 또한 용기의 파열 모드는 내압을 대부분 지탱하는 복합재 섬유의 파단이 먼저 일어나면 파괴되는 것으로 산출하였다.

성능/효과

1) 국내외적으로 고압용기의 경우 파열의 충격을 최소화 하기 위해 몸통에서 파열이 시작되도록 만들어지고 있는 점을 고려했을 때 시험용 Type3 복합 용기의 파열은 실린더 몸통부에서 시작되도록 제품이 설계되었음을 확인하였다.
2) 따라서, 복합용기의 내부응력은 돔부위보다 실린더 몸통부에 집중되도록 설계되었음을 알 수 있다.
3) 또한, 복합재의 층과 물성에 따라 Type3 복합 용기 파열압이 결정되는 것을 확인하였으며 가압속 도가 빠를수록 낮은 압력에서 파열됨을 알 수 있다.
4) 시험 값과 해석 값의 비교를 통하여(3.67MPa, 3.29%) 해석의 정확성을 검증하였다.
또한, 시험결과를 바탕으로 유한요소 설계해석과 실제 파열시험 결과를 비교하였다. 그 결과, 해석결 과와 실제 파열압 평균의 차이는 3.67MPa로 나타났다. 두 값의 차이는 가압되는 유체 및 가압속도 등 시험의 가압조건에 차이에 의하여 발생된 것으로 추측된다.
6과 같으며 모두 몸통부위 에서 파열이 시작되었다. 시료 용기는 각각 106.93 MPa, 113.52MPa, 124.77MPa에서 파열되었고 시험 용기 3기의 평균 파열압은 115.07 MPa로 나타났다.
돔부위에 비해 항상 더 많은 응력이 발생되는 실린더 벽부의 원주방향층 부위에서 섬유의 인장강도를 넘어서는 응력을 확인한다면 용기의 실제 파열압을 예측할수 있다. 탄소섬유의 인장강도와 섬유체적비 그리고 용기 고유의 안전율을 통해 용기에 적층된 탄소섬유의 파열응력을 확인하였고 원주방향층의 응력이 2,548 MPa일 때 용기의 실제 파열이 발생하며 파열 압력은 111.4 MPa으로 예측되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	압력을 저장하는 용기는 어떻게 분류되는가?	일반적으로 압력을 저장하는 용기의 경우, 4가지 형태로 분류할 수 있다. 금속용기로만 만들어진 Type1, 금속용기의 평탄부위에만 복합재 섬유를 감은 Type2, 금속라이너의 전체부위에 복합재 섬유를 감은 Type3, 플라스틱라이너의 전체부위에 복합재 섬유를 감은 Type4로 정의될 수 있다.
	고압의 수소를 안전하게 저장할 수 있는 고압 복합용기의 개발이 필요한 이유는 무엇인가?	현재 기술적으로 수소를 자동차용 연료로 사용하기 위해서는 수소를 액체 상태 및 압축 기체 상태로 저장하는 것이다. 두 가지 저장방법 중 대부분의 자동차 메이커들은 수소가스를 압축하는 방식을 채택 하고 있으며, 자동차의 주행거리를 최대한 확보하기 위하여 일정량 이상의 수소가스를 고압으로 압축 저장하는 방식을 사용하고 있다. 이에 따라 고압의 수소를 안전하게 저장할 수 있는 고압 복합용기의 개발이 필요하다[2].
	가능한 높은 압력으로 저장할 수 있는 연료저장시스템이 필요한 이유는 무엇인가?	또한, 천연가스, 수소 등의 친환경에너지를 이용한 자동차의 보급이 증가하고 있다. 천연가스와 수소를 연료로 사용하기 위해 가스를 고압으로 압축하는 방식을 채택하고 있으며, 주행거리를 위하여 가능한 높은 압력으로 저장할 수 있는 연료저장시스템 개발이 필요 하다. 이러한 친환경에너지를 고압가스 상태로 저장 하는 복합용기의 안전성을 확인하는 기준은 나라마다 차이가 있다.

참고문헌 (8)

ChangJong Kim, SeungHoon Lee, YoungGyu Kim, "The Direction and Development of KGS Safety Code of High Pressure Hydrogen Cylinder for the Hydrogen Fuel Cell Vehicle", The Korean Society for New and Renewable Energy Semiannual, Annual Fall Meeting, pp. 112 (2010)
Changjong Kim, Sungmin Cho, Eunjung Kim, Keebong Yoon, "The Study of Evaluating Safety on the High Pressure Composite Cylinder for the Vehicles", The Korean Society for New and Renewable Energy Semiannual, Annual Fall Meeting, pp. 65(2012)
SungMin Cho, ChangJong Kim, YoungGyu Kim, "A Study on the Behavior of Ambient Hydraulic Cycling Test for 70MPa Type3 Hydrogen Composite Cylinder", Journal of the Korean Institute of Gas, KIGAS vol 16, 2012 February, pp. 46-50 (2012)

원문보기 상세보기
ChangJong Kim, "The Study of Evaluating Safety on the Composite Cylinder for the Eco- Friendly Car", The Gas Safety Journal, KGS vol 38, , 2012 December, pp. 20-25 (2012)
YoungGyu Kim, ChangJong Kim, SeungHoon Lee, SungMin Cho, "Establishing the Foundation of Overall Tests for High Pressure Cylinders and Components", Proceedings of '11 KIGAS Spring Conference, pp. 133 (2011)
B.S. Kim, "Developing of Composite CNG pressure Vessels", ICCM-11, Int'l Conf. Composite Materials, Gold Coast, Australia, 14-18, pp. 401-418 (1997)
KyoMin Lee, JiSang Park, HakGu Lee, Yeong- Seop Kim, "A Study on Analysis Method to Evaluate Influence of Damage on Composite Layer in Type3 Composite Cylinder", Journal of the Korean Society for Composite Materials, vol 23, No 6, pp. 7-13 (2010)

원문보기 상세보기
J.S.Park, T.U.Kim, J.H,Jeong, "대체연료 차량용 Type3 복합재 압력용기 개발 및 인증", Journal of The Korean Hydrogen & New Energy Society, Annual Fall Meeting, pp. 75-91(2004)

저자의 다른 논문 :

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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