섬유강화 복합재료 등가열팽창계수 예측 및 인공위성 열지향오차 해석 Prediction of the Equivalent Coefficient of Thermal Expansion of Fiber Reinforced Plastic Lamina and Thermal Pointing Error Analysis of Satellites원문보기
본 연구에서는 다양한 열팽창계수 예측기법을 활용해서 섬유강화 복합재료 라미나 등가 열팽창계수 예측을 수행하였다. 등가열팽창계수를 예측하는 많은 식들이 제안되어 왔지만 사용대상에 따라 제약이 있거나, 예측결과가 시험결과와 잘 일치하지 않는 문제점을 갖고 있다. 본 연구에서 실제 복합재료 형상과 유사한 대표체적요소를 선정하여 유한요소 모델링을 수행하고 여기에 주기적 경계조건을 부여하여 재료의 등가열팽창계수를 예측하였다. 예측결과를 기존의 예측식 및 시험결과와 비교하여 그 성능을 검증하였으며, 별추적기 지지구조물의 열지향오차해석을 수행하고 다양한 예측물성을 따라 그 정확도를 검토하였다.
본 연구에서는 다양한 열팽창계수 예측기법을 활용해서 섬유강화 복합재료 라미나 등가 열팽창계수 예측을 수행하였다. 등가열팽창계수를 예측하는 많은 식들이 제안되어 왔지만 사용대상에 따라 제약이 있거나, 예측결과가 시험결과와 잘 일치하지 않는 문제점을 갖고 있다. 본 연구에서 실제 복합재료 형상과 유사한 대표체적요소를 선정하여 유한요소 모델링을 수행하고 여기에 주기적 경계조건을 부여하여 재료의 등가열팽창계수를 예측하였다. 예측결과를 기존의 예측식 및 시험결과와 비교하여 그 성능을 검증하였으며, 별추적기 지지구조물의 열지향오차해석을 수행하고 다양한 예측물성을 따라 그 정확도를 검토하였다.
In this paper, the equivalent coefficient of thermal expansion (CTE) of fiber reinforced plastic composite material is investigated with various CTE prediction schemes. Although there are several methods for predicting the equivalent CTEs, most of them have some limitations of are not much accurate ...
In this paper, the equivalent coefficient of thermal expansion (CTE) of fiber reinforced plastic composite material is investigated with various CTE prediction schemes. Although there are several methods for predicting the equivalent CTEs, most of them have some limitations of are not much accurate when comparing prediction results with test results. In the framework of computational homogenization, a representative volume element is taken from the predefined fiber-volume ratio, and modelled with finite element mesh. Finally, the equivalent CTEs are obtained by applying periodic boundary condition. To verify the performance of the proposed method, the results obtained are compared with those by the existing methods and test results. Additionally, the thermal pointing error analysis for star tracker support structure is conducted and its accuracy is estimated according to CTE prediction schemes.
In this paper, the equivalent coefficient of thermal expansion (CTE) of fiber reinforced plastic composite material is investigated with various CTE prediction schemes. Although there are several methods for predicting the equivalent CTEs, most of them have some limitations of are not much accurate when comparing prediction results with test results. In the framework of computational homogenization, a representative volume element is taken from the predefined fiber-volume ratio, and modelled with finite element mesh. Finally, the equivalent CTEs are obtained by applying periodic boundary condition. To verify the performance of the proposed method, the results obtained are compared with those by the existing methods and test results. Additionally, the thermal pointing error analysis for star tracker support structure is conducted and its accuracy is estimated according to CTE prediction schemes.
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가설 설정
그림에서 1, 2, 3은 별추적기 무게중심의 위치이다. 복합재료는 표 2에 나타난 M55J 탄소섬유, M18기지 단일 적층판으로 섬유체적비는 60 %를 가정하였다. 복합재료가 적용된 패널은 허니콤은 Hexel사의 8.
지구관측 저궤도 위성 사업에 사용되는 M55J 탄소섬유 복합재료 라미나의 등가물성예측을 다양한 방법으로 시도하였다. 섬유체적비는 60%를 가정하였으며, 사용한 탄소섬유 M55J 및 기지재료 M18의 물성은 표 2와 같다. 표 2의 데이터를 근간으로 표 3에 복합재료 등가물성 라미나의 예측결과를 기술하였다.
제안 방법
열지향오차 해석 결과를 표4에 나타내었다. Longitudinal 방향과 Transverse 방향이 모두 잘 맞는 RVE(square)을 기준으로 해석 결과를 비교하였고, 별추적기 무게중심에서 조준선(Line of Sight, LOS)을 확인하였다. LOSx의 경우 모든 별추적기에서 1 %내로 변화가 거의 없는 것을 확인 할 수 있었다.
계산의 편의를 위해 RVE의 모든 변의 길이 X1,X2,X3를 각각 1.0으로 두었으며, 온도차이 ∆T 도 1.0℃로 하였다.
그에 반해 전산균질화기법에서는 단순히 대표체적만 있으면 그 결과를 손쉽게 예측할 수 있으므로, 다양한 재료의 구성을 갖는 복합재료의 경우 손쉽게 등가 열팽창계수를 얻을 수 있음을 확인하였다. 또한, 지구관측 저궤도위성 개발에 사용되는 M55J/M18 복합재료 라미나의 등가물성의 예측을 수행 하였고, 이를 별추적기 지지구조물에 적용하여 열지향오차를 해석해 보았다. 해석 결과 전산균질화기법의 예측결과 대비 최대 177%가량 차이가 있음을 확인하였으며, 열팽창계수 차이가 열지향오차 해석결과에 큰 영향을 끼치는 것을 확인하였다.
본 논문에서는 다양한 열팽창계수 예측기법을 사용해서 섬유강화 복합재료 라미나의 등가 열팽창계수 예측을 수행하였다. 다양한 시험결과와 비교한 결과 Rosen-Hashin기법과 전산균질화기법의 해가 동일함을 하며, 시험결과와도 잘 일치하는 것을 확인하였다.
본 연구에서는 복합재료 라미나의 3차원 대표 체적요소와 여기에 주기적 경계조건을 부여하여 등가열팽창계수를 도출하였다. 이렇게 예측된 결과를 다양한 예측식 및 시험결과와 비교하여 그 성능을 검증하였다.
스트럿은 [0/45/-45/90]S로 적층된 복합재료를 적용하였다. 열지향오차해석은 별추적기 지지구조물에 25도의 온도변화를 부여하였고, 혼합기법을 제외한 4가지 검증방법을 이용해 구한 물성치를 열지향오차해석에 적용하였다.
유한요소법 기반 전산 균질화 기법을 이용해서 예측된 섬유강화 복합재료 라미나의 등가 열팽창계수를 이용해서 인공위성에서 사용될 별추적기 지지구조물의 열지향오차 해석을 수행하였다.
이 연구에서는 대표체적요소에 주기적 경계조건을 구현하기 위해서 다수의 대표체적요소를 사용하고 그중에 Saint-Venant’ Principle에 따라 경계에서 떨어진 내부의 대표체적요소의 거동을 관측하여 등가열팽창계수를 도출하였다.
본 연구에서는 복합재료 라미나의 3차원 대표 체적요소와 여기에 주기적 경계조건을 부여하여 등가열팽창계수를 도출하였다. 이렇게 예측된 결과를 다양한 예측식 및 시험결과와 비교하여 그 성능을 검증하였다. 현재까지 알려진 등가팽창계수 예측식에 대해 살펴보고, 전산기반 균질화 기법을 이용해 등가열팽창계수를 예측하는 방법에 대한 설명과 다른 예측식과 비교를 수행하였다.
전산 균질화 기법에서는 먼저 그림 2과 같이 전체복합재료에서 대표성을 갖는 RVE을 선정하며 유한요소 모델링을 수행하고 여기에 적절한 경계조건을 가하여 응력해석을 수행한다. 본 논문에서 사용한 방법은 Islam과 Karadeniz가 제안한 등가열팽창계수 예측기법으로 변형전후의 RVE의 길이 변화를 이용해서 등가 열팽창계수를 계산하는 방법이다.
지구관측 저궤도 위성 사업에 사용되는 M55J 탄소섬유 복합재료 라미나의 등가물성예측을 다양한 방법으로 시도하였다. 섬유체적비는 60%를 가정하였으며, 사용한 탄소섬유 M55J 및 기지재료 M18의 물성은 표 2와 같다.
이렇게 예측된 결과를 다양한 예측식 및 시험결과와 비교하여 그 성능을 검증하였다. 현재까지 알려진 등가팽창계수 예측식에 대해 살펴보고, 전산기반 균질화 기법을 이용해 등가열팽창계수를 예측하는 방법에 대한 설명과 다른 예측식과 비교를 수행하였다.
대상 데이터
복합재료는 표 2에 나타난 M55J 탄소섬유, M18기지 단일 적층판으로 섬유체적비는 60 %를 가정하였다. 복합재료가 적용된 패널은 허니콤은 Hexel사의 8.1PCF-1/8-5056-0007P 30mm와 양면에 [0/45/-45/90]S로 적층된 복합재료를 채택하였다. 스트럿은 [0/45/-45/90]S로 적층된 복합재료를 적용하였다.
1PCF-1/8-5056-0007P 30mm와 양면에 [0/45/-45/90]S로 적층된 복합재료를 채택하였다. 스트럿은 [0/45/-45/90]S로 적층된 복합재료를 적용하였다. 열지향오차해석은 별추적기 지지구조물에 25도의 온도변화를 부여하였고, 혼합기법을 제외한 4가지 검증방법을 이용해 구한 물성치를 열지향오차해석에 적용하였다.
성능/효과
LOSx의 경우 모든 별추적기에서 1 %내로 변화가 거의 없는 것을 확인 할 수 있었다. LOSy, LOSz의 경우 모든 별추적기에서 큰 차이를 보였으며, 특히 LOSy에서 RVE (square)에 대비 최대 177 %까지 큰 차이를 보이는 것을 확인 할 수 있었다. 이렇게 큰 차이를 보이는 이유는 라미나에서 물성치의 차이가 작게 나더라도 적층된 복합재의 물성치에서 차이가 커지며, 유한요소 모델에 적용했을 때 복합적인 요인으로 차이가 더 커지게 되는 것으로 판단된다.
그러나 Rosen-Hashin은 해석적인 해로부터 유도되었기 때문에, 그 결과를 얻기 위해서는 복잡한 수식을 거쳐야 한다. 그에 반해 전산균질화기법에서는 단순히 대표체적만 있으면 그 결과를 손쉽게 예측할 수 있으므로, 다양한 재료의 구성을 갖는 복합재료의 경우 손쉽게 등가 열팽창계수를 얻을 수 있음을 확인하였다. 또한, 지구관측 저궤도위성 개발에 사용되는 M55J/M18 복합재료 라미나의 등가물성의 예측을 수행 하였고, 이를 별추적기 지지구조물에 적용하여 열지향오차를 해석해 보았다.
본 논문에서는 다양한 열팽창계수 예측기법을 사용해서 섬유강화 복합재료 라미나의 등가 열팽창계수 예측을 수행하였다. 다양한 시험결과와 비교한 결과 Rosen-Hashin기법과 전산균질화기법의 해가 동일함을 하며, 시험결과와도 잘 일치하는 것을 확인하였다. 그러나 Rosen-Hashin은 해석적인 해로부터 유도되었기 때문에, 그 결과를 얻기 위해서는 복잡한 수식을 거쳐야 한다.
그러나 전산 균질화 기법을 통해서 구한 복합재료 라미나의 물성치가 서로 잘 일치하는 것을 확인할 수 있으며, 다른 방법으로 구한 예측방법에 비해 훨씬 정확할 것으로 추정된다. 또한 열팽창계수는 RVE 종류에 관계없이 일정한 것을 확인하였다.
또한, 지구관측 저궤도위성 개발에 사용되는 M55J/M18 복합재료 라미나의 등가물성의 예측을 수행 하였고, 이를 별추적기 지지구조물에 적용하여 열지향오차를 해석해 보았다. 해석 결과 전산균질화기법의 예측결과 대비 최대 177%가량 차이가 있음을 확인하였으며, 열팽창계수 차이가 열지향오차 해석결과에 큰 영향을 끼치는 것을 확인하였다. 추후 시편시험과 병행하여 예측된 결과를 검증 및 보정하고자 한다.
후속연구
표 3에 나타나듯이 E11과 같은 주방향 성분을 제외한 가로방향 물성치 E22, v23, G12가 큰 차이를 보이는 것을 알 수 있다. 그러나 전산 균질화 기법을 통해서 구한 복합재료 라미나의 물성치가 서로 잘 일치하는 것을 확인할 수 있으며, 다른 방법으로 구한 예측방법에 비해 훨씬 정확할 것으로 추정된다. 또한 열팽창계수는 RVE 종류에 관계없이 일정한 것을 확인하였다.
해석 결과 전산균질화기법의 예측결과 대비 최대 177%가량 차이가 있음을 확인하였으며, 열팽창계수 차이가 열지향오차 해석결과에 큰 영향을 끼치는 것을 확인하였다. 추후 시편시험과 병행하여 예측된 결과를 검증 및 보정하고자 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
등가열팽창계수를 예측하는 많은 식들의 문제점은 무엇인가
본 연구에서는 다양한 열팽창계수 예측기법을 활용해서 섬유강화 복합재료 라미나 등가 열팽창계수 예측을 수행하였다. 등가열팽창계수를 예측하는 많은 식들이 제안되어 왔지만 사용대상에 따라 제약이 있거나, 예측결과가 시험결과와 잘 일치하지 않는 문제점을 갖고 있다. 본 연구에서 실제 복합재료 형상과 유사한 대표체적요소를 선정하여 유한요소 모델링을 수행하고 여기에 주기적 경계조건을 부여하여 재료의 등가열팽창계수를 예측하였다.
저궤도 지구관측위성의 안테나와 태양전지판에 반복적인 변형은 어떠한 문제를 일으키는가
통상, 저궤도 지구관측위성의 안테나와 태양전지판의 경우 우주환경에서 -100oC ~ 100oC의 급격한 온도변화를 하루에도 14회 가량 겪게 되는데, 이로 인해 인공위성은 수축, 팽창 또는 뒤틀림 등의 변형이 반복되어 일어나게 된다. 이러한 변형은 별추적기나 관측탑재체와 같이 높은 지향정밀도를 요구하는 장비에 열지향오차를 발생시켜 높은 지향 정밀도 요구조건을 만족시키기 어렵게 된다.
열지향오차를 최소화하기 위한 방법은 무엇이 있는가
이러한 열지향오차를 최소화하기 위해서는 TerraSAR-X, Tandem-X와 같은 인공위성에서는 낮은 열팽창계수를 갖는 탄소섬유복합재료를 이용해서 본체구조체를 제작하며, 아울러 정밀한 열지향오차해석을 함께 병행하여 열지향오차를 최소화하도록 한다. 정밀한 열지향오차해석을 수행하기 위해서는 복합재료를 구성하는 복합재료 라미나(lamina)의 등가열팽창계수를 정확히 아는 것이 매우 중요한다.
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